迄今“最安静”半导体量子比特问世为研制大规模量子计算机奠定基础

迄今“最安静”半导体量子比特问世为研制大规模量子计算机奠定基础

科技日报北京10月11日电 (记者刘霞)澳大利亚新南威尔士大学研究人员在最新一期《先进材料》杂志上撰文指出,他们研制出了迄今“最安静”——噪音最低的半导体量子比特,为进一步研制出大规模纠错量子计算机奠定了基础。

为使量子计算机执行有用的计算,由量子比特编码的量子信息的精确度必须尽量达到100%。由硅内原子的电子制成的量子比特,有助于科学家研制出大规模量子计算机,但硅材料内的缺陷会引起电荷噪音,干扰量子信息,影响其准确性——即便材料内只有很少杂质,都会影响电荷噪音的水平。

正如最新研究主要作者路德维克·克兰兹所说:“半导体量子比特内的电荷噪音一直是实现大规模纠错量子计算机所需精度水平的主要‘拦路虎’”。

鉴于此,在最新研究中,克兰兹团队通过减少硅芯片内的杂质,并使其内的磷原子远离产生大多数噪音的表面和交界面,创造出了迄今噪音水平最低的半导体量子比特。

克兰兹表示:“通过优化硅芯片制造工艺,我们获得了比以前记录低10倍的噪音水平,这是迄今半导体量子比特的最低电荷噪音水平。我们的研究表明,可以将电荷噪音降低到非常低的水平,从而将其对量子比特的影响降到最低。”

此外,研究人员表示,为执行大规模量子计算所需的无差错计算,两量子比特门——任何量子计算机的核心构件的准确性要求超过99%。为达到这一保真度阈值,量子操作需要稳定且快速,米歇尔·西蒙斯领导的团队最近证明,他们可以在1微秒内读出量子比特。

西蒙斯说:“这项研究与最新的最低电荷噪音研究结果相结合,硅原子量子比特有可能实现99.99%的保真度。我们正致力于研制出集几大优点于一体的设备,快速、稳定、准确率高并相干时间长,这是向全尺寸硅量子处理器迈出的重要一步。”

迄今“最安静”半导体量子比特问世为研制大规模量子计算机奠定基础
Ludwik Kranz用扫描隧道显微镜将磷原子精确地放置和封装在硅中

据悉,西蒙斯团队正在利用硅建造商用量子计算机,他们希望2023年前可以研制出拥有10个量子比特的量子集成处理器原型。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

总编辑圈点

量子计算机与经典计算机迥然不同。举例来说,经典计算机的最基本单元是由0和1组成的比特;而量子计算机以量子比特为基本信息单元,量子比特既可以是0,也可以是1。量子计算机的研发目前仍面临多个核心难题,其中包括量子比特保真度以及量子相干性的保持等。说到这里,不难看出上述研究的意义所在:降低半导体量子比特的电荷噪音,提升其保真度,正是在攻克量子计算机研发核心难题方面,又迈出一大步。

参考文献:

“Exploiting a Single‐Crystal Environment to Minimize the Charge Noise on Qubits in Silicon” by Ludwik Kranz, Samuel Keith Gorman, Brandur Thorgrimsson, Yu He, Daniel Keith, Joris Gerhard Keizer and Michelle Yvonne Simmons, 23 August 2020, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202003361

“Single-Shot Spin Readout in Semiconductors Near the Shot-Noise Sensitivity Limit” by D. Keith, M. G. House, M. B. Donnelly, T. F. Watson, B. Weber and M. Y. Simmons, 3 October 2019, Physical Review X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041003

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