再次突破：悉尼大學量子計算結果創造世界紀錄！

利用悉尼大學納米研究所和物理學院量子物理學家的理論工作，在半導體「自旋量子位元」(量子計算機的一種基本組件)方面取得了一項減少誤差的世界紀錄。新南威爾士大學工程師的實驗結果表明，誤碼率低至0.043%，比任何其他自旋量子比特都低。悉尼大學和新南威爾士大學的研究小組在《自然電子》上發表了這篇聯合研究論文，而且上了封面！這篇論文的通訊作者斯蒂芬·巴特利特教授說：在量子計算機可以擴展成有用的機器之前，減少誤差是必要的。

博科園：一旦量子計算機大規模運行，就能實現自己的偉大承諾，解決甚至是最大的超級計算機也無法解決的問題。這將有助於人類解決化學、藥物設計和工業方面的問題。有許多類型的量子比特，或量子位，從那些使用捕獲離子，超導環或光子。自旋量子比特是一種量子比特，它根據量子物體(如電子)的量化磁性方向來編碼信息。澳大利亞，尤其是悉尼，正在成為量子技術的全球領導者。現今宣布資助悉尼量子學院的成立，突顯出澳大利亞建立量子經濟的巨大機遇，澳大利亞是全球最大的量子研究集團聚集地，總部位於悉尼

沒有理論就沒有實踐

雖然量子計算的焦點主要集中在硬體進步上，但是如果沒有量子資訊理論的發展，這些進步都是不可能實現的。由Stephen Bartlett教授和Steven Flammia教授領導的悉尼大學量子理論小組是量子資訊理論的世界強國之一，它使全球工程和實驗團隊進行艱苦的物理進展，以確保量子計算成為現實。悉尼量子理論小組的研究工作對《自然電子》上發表的世界紀錄結果至關重要。巴特利特教授說：由於錯誤率如此之小，新南威爾士大學的研究小組甚至需要一些非常複雜的方法來檢測錯誤率。由於錯誤率如此之低，需要日復一日地運行數據，只是為了收集統計數據，以顯示偶爾出現的錯誤。

一旦發現錯誤，就需要對其進行定性、消除和重新定性。弗拉米婭的團隊在錯誤特徵理論方面處於世界領先地位，而錯誤特徵理論正是用來實現這一結果。Flammia小組最近首次演示了量子計算機的改進，使用IBM Q量子計算機設計的代碼來檢測和丟棄邏輯門(或開關)中的錯誤。新南威爾士大學研究小組負責人安德魯·祖拉克教授說：與巴特利特教授和弗拉米亞教授以及團隊合作幫助我們了解在新南威爾士大學的硅cmos量子比特中發現的錯誤類型，這是非常寶貴的。首席實驗人員亨利·楊(Henry Yang)與他們密切合作，實現了99.957%的保真度，這表明我們現在擁有世界上最精確的半導體量子位元。

巴特利特教授說，楊亨利的世界紀錄可能會持續很長一段時間。現在新南威爾士大學的團隊和其他團隊將致力於在硅cmos中構建兩個量子比特和更高水平的陣列。功能完備的量子計算機將需要數以百萬計的量子位元來運作，現在設計低誤差量子位元是擴展到這類裝置的關鍵一步。雷蒙德·拉弗拉姆教授是加拿大滑鐵盧大學量子信息系主任說：隨著量子處理器變得越來越普遍，悉尼大學巴特利特小組開發了一種重要的工具來評估它們。它使我們能夠描述量子門的精度，並使物理學家能夠區分非相干和相干錯誤，從而實現對量子位元的空前控制。

全球影響

悉尼大學和新南威爾士大學的這一聯合研究結果出爐前不久，同一量子理論團隊與哥本哈根尼爾斯玻爾研究所(Niels Bohr Institute)的實驗人員發表了一篇論文。這一結果發表在《自然通訊》(Nature Communications)上，它允許電子之間通過介質進行遠距離的信息交換，提高了自旋量子比特量子計算機的放大結構前景。這個結果意義重大，因為它允許量子點之間的距離足夠大，可以集成到更傳統的微電子技術中。這一成果是美國哥本哈根、悉尼和普渡大學的物理學家共同努力的成果。

主要的問題是，要讓量子點相互作用，它們之間的距離必須非常接近納米。但在這個距離上，它們相互干擾，使得該設備難以調整，無法進行有用的計算。解決辦法是讓糾纏的電子通過一個電子「池」來傳遞它們的信息，把它們進一步分開。

這有點像有一輛巴士：一種允許遠距離自旋相互作用的大介質。如果你能允許更多的自旋相互作用，那麼量子結構就能轉向二維布局。哥本哈根尼爾斯玻爾研究所的副教授費迪南德·庫米特說：我們發現，在左右兩個點之間有一個大而長的量子點，它在十億分之一秒內協調了自旋態的相干交換。

而電子卻從未離開過它們的點。巴特利特教授說：作為一名理論家，我對這個結果感到興奮的是，它讓我們擺脫了量子比特只依賴於其近鄰的幾何約束。該實驗的歷史可以追溯到10年前，當時在哈佛大學(Harvard)與人合著的查理?馬庫斯(Charlie Marcus)教授領導了一個美國情報高級研究項目活動(IARPA)。巴特利特教授說：我們2018年都去哥本哈根參加了一個研討會，部分目的就是解決這個問題。

論文作者之一托馬斯?埃文斯(Thomas Evans)在Office for Global Engagement的支持下，在那裡呆了兩個月。OGE也支持Arne Grimsmo博士，他正在從事另一個項目。當得到OGE的資助時，這個實驗和我們的討論已經取得了很大進展。但是正是這個研討會和它的資金使得悉尼團隊能夠前往哥本哈根，根據這個結果計划下一代的實驗。這種方法允許我們進一步分離量子點，使它們更容易單獨調整，並讓它們一起工作。既然我們有了這個介質，就可以開始計劃一個由這些量子點對組成的二維數組。

博科園｜研究/來自: 悉尼大學

參考期刊《Nature Communications》,《Nature Electronics》

DOI: 10.1038/s41928-019-0234-1

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