纠错一直是通用量子计算机面临的一大难题。近日，世界一流的研究机构日本RIKEN的研究人员展示了基于硅的三量子比特系统中的纠错，为实现大规模量子计算铺平了道路。该研究以“Quantum error correction with silicon spin qubits”为题发表于《Nature》[1]。
01. 当前量子系统面临的问题
量子计算机是当今研究的热门领域，因为它们有望解决某些使用传统计算机难以解决的重要问题。它们使用完全不同的架构，使用量子物理学中的叠加态，而不是传统计算机中使用的简单的 1 或 0 二进制位。
然而，由于它们的设计方式完全不同，它们对环境噪声和退相干等其他问题非常敏感，需要进行纠错才能进行精确计算。
今天的一个重要挑战是选择哪种技术来构建运行量子计算的基本单元——量子比特。不同的候选系统有自己的长处和短处。当今一些流行的系统包括超导电路和离子阱，它们的优点是已经证明了某种形式的纠错，即使在小规模下也可以投入实际使用。
硅基量子技术在过去十年才开始发展，它的优势在于它利用类似于通常用于在小芯片中集成数十亿晶体管的半导体纳米结构，因此可以利用当前的生产技术。
然而，硅基技术的一个主要问题是缺乏错误连接技术。研究人员之前已经证明了对两个量子比特的控制，但这还不足以进行纠错，这需要一个三量子比特系统。
02. 首次提供硅中量子纠错的原型
在目前由 RIKEN 新兴物质科学中心和 RIKEN 量子计算中心的研究人员进行的研究中，该小组实现了这一壮举，展示了对三量子比特系统（硅中最大的量子比特系统之一）的完全控制，从而首次提供了硅中量子纠错的原型。他们通过实施一个三量子比特的 Tooffoli 型量子门来实现这一目标。
据该论文的第一作者Kenta Takeda介绍，“在量子点中实现量子纠错码的想法大约是在十年前提出的，因此这不是一个全新的概念，而是材料上的一系列改进，设备制造和测量技术使我们能够在这方面取得成功。我们很高兴能够实现这一目标。”
根据研究小组负责人 Seigo Tarucha 的说法，他们的下一步将是扩大系统规模。为此，他们将与能够大规模制造硅基量子器件的半导体行业团体合作。
引用：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04986-6
