QuTech演示完全控制的6量子比特硅基自旋量子处理器

技术研究 量科网 2022-09-29 12:58

QuTech公司(代尔夫特理工大学和TNO的合作项目)的研究人员在一个完全可互操作的阵列中设计了一个创数量纪录的6量子比特硅基自旋量子处理器原型。重要的是,这种量子比特可以通过新的芯片设计、自动校准程序以及量子比特初始化和读出的新方法以低错误率运行。这些进步将有助于开发基于硅的可扩展量子计算机。他们的研究成果已发表在近日的《自然》杂志上。

QuTech演示完全控制创数量纪录的6量子比特硅基自旋芯片

可以使用不同的材料来生产量子比特,量子比特是经典计算机中比特的量子模拟,但没有人知道哪种材料最适合构建大型量子计算机。迄今为止,只有较小规模的高质量量子比特的硅量子芯片操作演示。现在,由Lieven Vandersypen教授领导的QuTech研究人员已经在硅中生产了一个6量子比特芯片,该芯片以低错误率运行。这是朝着基于硅的容错量子计算机迈出的重要一步。

为了制造量子比特,单个电子被放置在一个由6个量子点组成的线性阵列中,这些量子点相隔90纳米。量子点阵列由硅芯片制成,其结构与晶体管非常相似——晶体管是每台计算机芯片中的常见组件。一种被称为“自旋”的量子力学特性用于定义一个量子比特,自旋的方向用来定义为0或1的逻辑状态。该团队利用微调的微波辐射、磁场和电势来控制和测量单个电子的自旋并使它们相互作用。

QuTech演示完全控制创数量纪录的6量子比特硅基自旋芯片
QuTech的研究人员Mateusz Mądzik(左)和Stephan Philips(右)

该研究第一作者Stephan Philips解释说:“今天的量子计算挑战包括两部分:开发质量足够好的量子比特,并开发一种允许构建大型量子比特系统的架构。我们的工作属于这两个类别。而且由于构建量子计算机的总体目标是一项巨大的努力,我认为可以公平地说,我们已经朝着正确的方向做出了贡献。”

电子的自旋是一种微妙的特性。电磁环境的微小变化会导致自旋方向发生波动,从而增加错误率。QuTech团队在他们之前量子点工程经验的基础上,采用了一种制备、控制和读取电子自旋态的新方法。使用这种新的量子比特排列,他们可以根据需要创建逻辑门和两个(或三个)电子的纠缠系统。

目前,科学家已经利用超导量子比特生产了具有50+量子比特的量子阵列。然而,由于基于硅的工程基础设施在全球范围内有普遍可用性,这使硅量子器件有望更容易地从研究室迁移到工业中。但硅也带来了一定的工程挑战,在QuTech团队的这项工作之前,人们在不会牺牲质量的情况下只能在硅中设计3个量子比特的阵列。

论文共同作者Mateusz Madzik博士说:“这篇论文表明,通过精心设计可以增加硅自旋量子比特的数量,而且能同时保持与单个量子比特相同的精度。这项研究中开发的关键构建块可用于在下一次研究迭代中添加更多的量子比特。”

Vandersypen教授说:“在这项研究中,我们突破了硅中量子比特数量的极限,实现了高初始化保真度、高读出保真度、高单量子比特门保真度和高双量子比特状态保真度。但真正引人注目的是,我们是在一次实验中对创纪录数量的量子比特一起展示了所有这些特征。”(编译:Qtech)