在許多類型的任務上，量子計算機有望在未來某一天大舉超越傳統計算機。 儘管當前仍面臨著許多亟需克服的困難，日本理化研究所（RIKEN）的一支科學家團隊，還是找到了通往未來量子計算大門的一項新突破。 在近日發表於《自然納米科學》期刊上的一篇文章中，其詳細介紹了在矽片上發現的三量子比特糾纏態。

新元件的掃描電子顯微鏡（偽彩色）圖像，來自：RIKEN 。

據悉，量子計算機利用了奇特的量子物理學原理，來大幅提升計算機的處理能力和速度。 相關信息以類似於傳統計算機的”比特”方式來存儲，但”量子比特”還擁有一些意想不到的操縱方式。

得益於”量子糾纏”特性，當你檢查其中一個粒子屬性時，就可對應推斷出一個（或多個）夥伴粒子的屬性，且處於糾纏態的粒子無論相隔多遠都會受到對應影響。

研究配圖 – 1：設備與實驗設置

在量子計算機中，糾纏量子比特使得數據能夠被更快地傳輸和處理、並改進了糾錯。 且在大多數時候，量子比特都是成對糾纏的。 然而現在，RIKEN 研究團隊已經首次發現了矽片上的三量子比特糾纏態。

在這種情況下，量子比特由被稱作量子點的小矽圓組成。 作為量子計算機中量子比特的主要候選者之一，矽片已經在電子產品中得到了廣泛應用。

但更重要的是，這些量子點在很長一段時間內都是穩定的，能夠精確控制、在更高的溫度下運行、且可以相對簡單地縮放規模。

三量子比特糾纏態能夠更好地實現這一目的，且過去已有研究成功地將三個光子糾纏到一起。 只是到目前為止，業界一直認為它們是可望而不可及的。

研究配圖 – 2：單個量子比特 / 受控相位操作

研究一作 Seigo Tarucha 表示：「雙量子位操作足以執行基本的邏輯計算，但三量子位系統是擴大是實施糾錯的最小單位」。。

好消息是，由 RIKEN 新興物質研究所打造的三量子點裝置，就通過鋁門控制實現了獨特的操作。

每個量子點都包含了一個電子，可通過其自旋狀態來代表二進位的 0 或 1，而無論其在給定時間是向上或向下。

此外磁場梯度使量子比特的共振頻率保持分離，因而支援它們的單獨尋址。

研究配圖 – 3：三量子比特糾纏的生成與測量

為了讓三個量子比特糾纏在一起，研究團隊先是使用被稱作”雙量子位門”的量子計算機公共單元，然後將第三個量子比特與該門糾纏在一起。

由此產生的三量子比特陣列具有 88% 的高保真度，表明量子比特在測量時處於”正確”狀態的概率。 研究團隊補充道：這種強大的糾纏，能夠被很好地運用於糾錯。

因為在量子計算機中，量子比特傾向於隨機翻轉狀態、並丟失其儲存的資訊。 而在傳統計算機上運行良好的校正方法，並不適用於新奇的量子系統。

相比之下，其它量子晶元設計需要使用九個量子比特的網格來相互監視，而IBM的糾錯方案更是使用了非糾纏的量子比特，來檢查鄰近量子比特的狀態。

Seigo Tarucha（右二）及其同事們，來自：RIKEN 。

展望未來，RIKEN 研究團隊還希望利用三量子比特設備來演示原始錯誤校正，並製造具有10個（或更多）量子比特位的設備。

Seigo Tarucha 表示，後續他們計劃開發 50 – 100 個量子比特的裝置，並套用更加複雜的糾錯協定，為十年內製造大規模量子計算機而奠定基礎。

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《自然納米技術》（Nature Nanotechnology）期刊上。

原標題為《Quantum tomography of an entangled three-qubit state in silicon》。