有史以來第一次，研究人員測量了硅中兩量子位邏輯運算的可信度（也就是精確度）並得到了非常有希望的結果，這將使其能夠擴展到一個全尺寸的量子處理器。這項研究由新南威爾士大學工程學教授安德魯·祖拉克團隊進行，於2019年5月13日發表在世界著名的《自然》期刊上。實驗由電氣工程專業大四博士生黃偉(Wister Huang)和新南威爾士大學高級研究員楊亨利(Henry Yang)博士共同完成。

所有量子計算都可以由一個量子位運算和兩個量子位運算組成——它們是量子計算的核心構件。一旦有了這些，就可以執行任何你想要的計算——但是這兩種運算的精度都需要非常高。2015年Dzurak的團隊第一個在硅上建立量子邏輯門，使兩個量子位信息之間的計算成為可能，從而清除了使硅量子計算機成為現實的一個關鍵障礙。自那以後，世界各地的許多研究小組已經在硅材料中演示了雙量子門，但直到這篇具有里程碑意義的論文發表之前，這種雙量子門的真正準確性還不為人知。

精確是量子成功的關鍵

保真度是一個關鍵參數，它決定了量子比特技術的可行性——只有在量子比特運算近乎完美、誤差很小的情況下，才能利用量子計算的巨大能力。在這項研究中，該團隊實現並執行了基於克利夫福德的保真度基準測試(一種可以評估所有技術平台上的量子位精度的技術)，顯示平均雙量子位柵保真度為98%。論文的第一作者Wister Huang表示：我們通過描述和減少主要誤差源，實現了如此高的保真度，從而提高了門的可信度，達到了可以在我們的雙量子位元設備上執行顯著長度的隨機基準序列(超過50個門操作)程度。

新南威爾士大學悉尼分校研究小組:Andrew Dzurak教授，Wister Huang先生，Henry Yang博士。圖片：UNSW Sydney

由於量子計算機能夠以更快的速度進行複雜得多的計算，包括解決當今計算機根本無法解決的問題，因此它在未來將有廣泛的重要應用。Dzurak教授說：但是對於大多數重要的應用程序，將需要數百萬個量子位元，而且必須糾正量子錯誤，即使它們很小。為了使誤差校正成為可能，量子位元本身首先必須非常精確——因此評估它們的保真度是至關重要。量子位元越精確，需要的就越少——因此，就能越快地提升工程和製造水平，實現全尺寸的量子計算機。

硅被證實是未來的發展方向

研究人員表示，這項研究進一步證明，硅作為一種技術平台，是擴展到通用量子計算所需大量量子位元的理想選擇。考慮到硅在全球計算機行業的核心地位已近60年，其特性已經得到了很好的理解，現有的硅晶元生產設施可以很容易地適應這項技術。如果保真值過低，就會給硅量子計算的未來帶來嚴重問題。它接近99%的事實使它處於我們所需要的範圍內，而且有進一步改進的良好前景。正如預測的那樣，研究結果立即表明，硅是一個可行的平台，可以進行全面的量子計算髮展。

在不久的將來，將實現顯著更高的可靠性，為全面、容錯的量子計算開闢道路。我們現在正處在兩量子位精度的邊緣，這一精度足以進行量子誤差校正。在另一篇發表在《自然電子》(Nature Electronics)期刊上並以其封面為特色的論文(楊博士是該論文的主要作者)中，同一個團隊還創造了世界上硅量子點中最精確的1-量子位門記錄，保真度高達99.96%。除了硅量子位的天然優勢，能夠取得如此令人印象深刻成果的一個關鍵原因是在新南威爾士大學擁有出色的團隊。

研究論文其他作者還包括新南威州大學的研究人員托莫·坦圖、羅斯·萊昂、費·哈德遜、安德里亞·莫雷羅和阿恩·勞希特，以及Dzurak團隊的前成員陳國偉、巴斯·漢森、邁克爾·福格蒂和黃建生，而日本慶應大學的Kohei Itoh教授為該項目提供了同位素含量豐富的矽片。新南威爾士大學工程系主任馬克·霍夫曼教授說：這一突破再次證明，這個世界領先的團隊正在把量子計算從理論跨越到現實，量子計算是本世紀的太空競賽，這一里程碑是實現大規模量子計算機的又一個步驟。它強化了一個事實，即硅是一種極具吸引力的方法，基於硅CMOS技術的自旋量子位元。

由Dzurak教授團隊開發的特定方法，由於其較長的相干時間和利用現有集成電路技術製造大量實際應用所需的量子位元潛力，在量子計算方面有很大的前景。Dzurak教授領導了一個項目，利用澳大利亞第一家量子計算公司硅量子計算來推進硅CMOS量子比特技術。一個全尺寸的量子處理器將在金融、安全和醫療領域有重要的應用——它將通過大大加快藥物化合物的計算機輔助設計來幫助識別和開發新葯，它將有助於開發新的、更輕、更堅固的材料，從消費電子產品到飛機，以及在大型資料庫中更快地搜索信息。

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