矽基量子計算機即將成為可能。近日，《自然》(Nature)在封面連刊三篇論文，3個不同團隊的研究人員驗證了矽雙量子位門保真度，均達到99%以上，超越了量子計算的容錯閾值。研究結果證實，矽材料中強大、可靠的量子計算正在成為現實，有助於建造與當前半導體技術兼容的矽基量子器件。

《自然》(Nature)封面，圖片來自Nature

使用核自旋的矽基量子計算

核自旋是最早被考慮用於量子信息處理的物理平台之一，因為它們具有卓越的量子相干性和原子尺度的軌跡。但因缺乏將核量子位連接到可拓展的量子器件，並保持足夠的保真度來維持容錯量子計算的方法，核自旋在量子計算方面的潛力尚待發掘。

澳大利亞新南威爾士大學研究團隊在磷供體形成的兩個核自旋之間創建了雙量子位通用量子邏輯運算，通過行業標準的離子注入方法,將其引入矽納米電子器件中。他們使用一種稱為“量子門集層析成像（GST）”的方法，對其量子處理器的性能進行了驗證，實現了高達99.95%的單量子位門保真度、99.37%的雙量子位門保真度和98.95%的雙量子位準備/測量保真度。三項數據表明，矽中的核自旋接近容錯量子計算機所要求的性能。

研究人員證明了通用量子運算的可實現性，這意味著構成量子運算的所有基本運算，包括單量子位運算和雙量子位運算，均可在高於容錯閾值的保真度下執行。

此外，據研究結果，電子自旋本身就是一個量子位，可與兩個原子核糾纏，形成一個三量子位的量子糾纏態，保真度達到92.5%。這為實現使用電子自旋與核自旋的矽基量子計算機提供了可行方法。

三量子位的量子糾纏態，紅點為磷原子的量子位，閃亮的橢圓為電子自旋，圖片來自新南威爾士大學

基於電子自旋的矽基量子計算

達到99%以上的雙量子位門保真度一直是半導體自旋量子位的主要目標。

量子位的高保真度控制對於量子計算的可靠執行和容錯能力至關重要。容錯能力是一種可以比錯誤發生的速度更快糾錯的能力。

荷蘭代爾夫特理工大學研究團隊使用由矽和矽鍺合金堆棧形成的材料，創造了一個雙量子位系統。其中，量子信息被編碼在限制於量子點的電子自旋中，並最終實現了99.87%的單量子位保真度和99.65%的雙量子位保真度。即使在加入相鄰量子位的串擾和空轉誤差後，平均單量子位門的保真度仍高於99%。

團隊使用變分量子本徵求解算法(VQE)來執行運算，並達到99%以上的雙量子位門保真度。這有利於半導體量子位在容錯量子計算方面發揮作用，未來可能應用在中等規模的量子器件上。

雙量子位器件和對稱運算點

矽自旋量子位的量子計算

日本理化學研究所的研究團隊採用了代爾夫特團隊生產的相同材料堆棧，在矽自旋量子位中，通過微磁體誘導的梯度場和可調諧雙量子位耦合的快速電氣控制，並採用雙量子位的Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法，實現了99.8%的單量子位保真度和99.5%的雙量子位保真度。

容錯量子計算機依賴於量子糾錯，其要求通用量子位門保真度超過容錯閾值(99%)。以往，在眾多的量子位平台中，只有超導電路、離子阱和鑽石中的氮-空位中心才能滿足這一要求。

而矽中的電子自旋量子位由於其納米製造能力，對於大規模量子計算機的研發很有前景。但由於運行緩慢，其雙量子位門保真度一直被限制在98%內。

上述研究結果首次使矽自旋量子位在通用量子控制性能方面與超導電路和離子阱等相抗衡。這意味著矽量子計算機能夠進行高精度的量子計算。

雙量子位系統

研究還表明，矽量子計算機與超導電路和離子阱一樣，是實現大規模量子計算機的最佳候選之一。

此前，我國研究團隊也已發現矽基自旋量子位的優勢。中國科學技術大學郭光燦院士團隊與美國、澳大利亞研究人員及本源量子共同合作，實現矽基自旋量子位的超快操控，自旋翻轉速率超過540MHz——是目前國際上已報導的最高值，研究論文發表在1月11日的《自然⋅通訊》期刊上。