科学家创造出了史上最安静的半导体量子比特 比之前记录的噪音低10倍

由澳大利亚量子物理学家米歇尔·西蒙斯（Michelle Simmons）教授领导的研究小组在研发硅量子计算机方面又向前迈出了重要一步。

这些来自新南威尔士大学悉尼分校的研究人员证明了半导体量子位(或称量子位，qubit)的最低噪声水平。这项研究最新发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。

要让量子计算机进行有用的计算，量子信息必须接近100%的精确度。电荷噪声——由承载量子位元的物质环境的缺陷引起——通常会干扰编码在量子位元上的量子信息，影响信息的准确性。

“半导体量子比特的噪音水平降低的一个重要障碍，实现了我们需要大规模纠错（error-corrected）量子计算机的精度水平。”改论文的第一作者路德维克·克兰兹（Ludwik Kranz）说，他是一名博士生，目前在新南威尔士大学的量子计算和通信技术中心(CQC2T)处理中心的分拆公司硅量子计算(SQC)工作。

“我们的研究已经证明，我们可以将电荷噪声降低到一个非常低的水平，将它对量子位元的影响降到最小。”Kranz表示。“通过优化硅芯片的制造过程，我们实现了比之前记录的噪音水平低10倍的目标。这是半导体量子位的最低记录电荷噪声。”基于这些最新成果，该团队可以在1微秒内读出量子比特。

创造安静的量子位元

从硅原子量子位上承载的电子制成的量子位——西蒙斯教授自2000年以来一直倡导的方法——是大规模量子计算机的一个有前途的平台。

然而，存储在任何半导体平台(如硅)中的量子位对电荷噪声很敏感。

该团队的研究表明，硅片内部或表面界面上的缺陷是电荷噪声的重要原因。“这是一个惊喜，因为我们已经花了很多时间优化我们的硅芯片的质量，但结果却显示即使是附近的一些杂质也会影响噪音。”

通过减少硅片中的杂质，并将原子放置在远离表面和界面的位置上，该团队能够产生破纪录的结果。

“我们的研究结果继续表明，硅是存放量子位元的极佳材料。我们有能力设计量子比特环境的各个方面，我们正在系统地证明硅原子量子比特是可再生的，快速和稳定的。”CQC2T主任米歇尔·西蒙斯教授称。

我们的下一个挑战是转向同位素纯晶体Si-28，利用在这个系统中已经证明的长相干时间。

时间就是一切

利用新制造的硅片，该团队随后进行了一系列实验来表征电荷噪声，并得到了意想不到的结果。

CQC2T的合著者Sam Gorman博士说:“我们使用单个电子晶体管和交换耦合量子比特对测量电荷噪声，它们共同提供了一个宽频率范围内一致的电荷噪声谱。”

测量结果揭示了影响电荷噪声的一个关键因素——时间。“从我们测量的噪音频谱来看，我们知道计算时间越长，我们的系统受到的噪音就越多，”Sam Gorman博士说。

“这对未来设备的设计有重大的影响，量子操作需要在非常短的时间内完成，这样电荷噪声就不会随着时间的推移而恶化，增加计算错误。”

系统化地研制商用硅量子计算机

要执行大规模量子计算所需的无错误计算，任何量子计算机的核心构造块——二量子位门都需要保真度(或精度)超过99%。为了达到这个保真阈值，量子运算需要稳定和快速。

在最近发表在《物理评论X》（Physical Review X）上的一篇论文中，Simmons小组利用他们的原子精确度，证明了在1微秒内读出量子位的能力。

“这项研究结合我们最低电荷噪声的结果表明，在硅原子量子位中实现99.99%的保真度是可能的。”米歇尔·西蒙斯教授称。“我们的团队现在正致力于在单一设备上实现所有这些关键结果——快速、稳定、高保真度和长相干时间——向全尺寸硅量子处理器迈进了一大步。”

西蒙斯教授正在与SQC合作，以建造第一个有用的、商用的硅量子计算机。SQC与CQC2T位于新南威尔士大学悉尼校区，其目标是在2023年前演示可靠生产10量位原型量子集成处理器所需的能力，并研发出相应的处理器原型。

Simmons教授称:“我们团队的研究结果进一步证实了我们的独特方法——精确定位硅中的磷原子，它对于建立商业化硅量子计算机所需的纠错大规模架构而言，是一个极有前途的前景。”

翻译/前瞻经济学人APP资讯组

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