第一次揭示硅中双量子位计算的准确性-量子客

有史以来,研究人员第一次测量了硅材料中双量子位逻辑运算的准确性——即保真度。结果证实硅材料很有希望应用于全尺寸量子处理器。

 

这项研究由AndrewDzurak教授领导的团队在新南威尔士大学工程学院完成,研究结果于今天发表在世界著名的《自然 》杂志上。

 

该实验由电气工程专业的学生Wister Huang进行演示,Wister Huang于最后一年获得了博士学位。参与该实验的研究人员还有新南威尔士大学高级研究员Henry Yang博士。

 

 “所有量子计算都可以由一个量子比特运算和两个量子比特运算组成 , 它们是量子计算的核心模块,”Dzurak教授表示。

 

“一旦你有了这些核心模块,就可以执行任何你想要的计算。但这两种操作对准确性的要求都非常高。”

 

2015年,Dzurak的团队率先在硅片上构建了量子逻辑门,使信息可以在两个量子比特之间进行计算,进一步扫除了使硅量子计算机成为现实的关键障碍。

 

自那以后,世界各地的许多团体纷纷展示了以硅材料为基础的的双量子比特门,但是直到这篇具有里程碑意义的论文发表的今天,这种双量子比特门的准确性仍然不得而知。

 

第一次揭示硅中双量子位计算的准确性-量子客
新南威尔士大学悉尼研究团队:Andrew Dzurak教授,Wister Huang先生,Henry Yang博士

图片来源:UNSW Sydney

 

准确性对于量子的成功至关重要

 

保真度是一个关键参数,它决定了量子比特技术的可行性。

 

在只允许微小误差的情况下,如果量子比特的操作仍然近乎于完美,那么你就可以挖掘出量子计算的巨大潜力。”杨博士说到。

 

在这项研究中,该团队执行了基于Clifford的保真度基准测试 ,即该技术可以评估所有技术平台的量子比特精度 ,结果证明平均两个量子比特的门保真度为98%。

 

 “我们通过减轻主要误差源,实现了98%如此高的保真度,从而提高了门保真度,也使得双量子比特器件能够执行长度超过50次门控操作的随机基准测序序列。”该论文的第一作者黄先生表示。

 

量子计算机将会有广泛的应用,因为它能够以更快的速度执行更复杂的计算,包括解决当今计算机无法解决的问题。

 

 “但是对于大部分的重要应用,都需要数百万的量子比特来执行计算。对数百万的量子比特来说,即使产生的误差很小,我们也不得不纠正。”Dzurak教授说。

 

“为了实现量子纠错,量子比特首先必须非常准确——因此评估它们的保真度至关重要。”

 

“因为如果你的量子计算越准确,你需要实现的量子纠错就越少 —— 因此,我们越早开始行动,就能越快的应用于全尺寸量子计算机。”

 

硅注定是量子技术的载体

 

研究人员表示,该研究进一步证明了将硅芯片作为技术平台的载体,非常适合扩展到通用量子计算所需的大量量子比特中去。鉴于硅已经成为全球计算机行业近60年的核心材料,其性能已经得到大家的认同,所以现有的硅芯片生产设施可以很轻易地适应这项技术。

 

 “如果保真度太低,则意味着将对硅量子计算的未来产生严重的影响。其接近99%的保真度是目前我们所需要的,并且还有进一步的提升空间。正如我们预测的那样,研究证明硅是全尺寸量子计算的可行平台,“Dzurak教授说。

 

 “我们认为在不久的将来会获得更高的保真度,从而开启全尺寸、容错量子计算的道路。目前我们处于双量子比特精度的边缘,这对于量子误差校正来说足够高了。”

 

最近发表在《自然电子学》杂志上的另一篇以杨博士为主要作者的论文中提到,该团队也在硅量子比特中创造了世界上最准确的1个量子比特门的记录,保真度高达 99.96%。

 

 “除了硅量子比特的天然优势之外,我们之所以能够取得如此令人骄傲的成绩的一个关键因素是:在新南威尔士大学我们有一支出色的团队。我的学生Wister和杨博士都非常有才华,他们构思了这个基准测试实验所需的复杂协议。”Dzurak教授说。

 

《自然》期刊上的其他作者分别是新南威尔士大学的研究人员Tuomo Tanttu、Ross Leon、Fay Hudson、Andrea Morello和Arne Laucht,以及前Dzurak团队成员Kok Wai Chan、Bas Hensen、Michael Fogarty和Jason Hwang。来自日本庆应义塾大学的Kohei Itoh教授则为该项目提供了富含同位素的硅片。

 

第一次揭示硅中双量子位计算的准确性-量子客

 

新南威尔士大学工程学院院长马克霍夫曼教授表示,这一突破是证明这个世界领先的团队正在将量子计算从理论范围扩展到真实范围的另一个证据。

 

 “量子计算是本世纪的太空竞赛,而悉尼是这场竞赛的领航人,”霍夫曼教授说。

 

 “这是实现大规模量子计算机的又一个里程碑,它证明了硅量子比特是一种极具潜力的方法,我们相信新南威尔士大学将首先让实现大规模量子计算机成为现实。”

 

由Dzurak教授小组开发的基于硅CMOS技术的自旋量子位——由于其具有较长的相干时间、能够利用现有集成电路技术制造实际应用所需的大量量子比特的潜力,所以很有可能将其应用于量子计算。

 

Dzurak教授还领导了一项旨在利用澳大利亚第一家量子计算公司Silicon Quantum Computing推进硅CMOS量子比特技术的项目。

 

 “我们的最新成果表明这项技术更接近商业化,而我的团队目标就是建立一个可用于实际应用的量子芯片。”Dzurak教授说。

 

全尺寸量子处理器将主要应用在金融、安全和医疗保健领域。通过大大加速制药工程学的计算机辅助设计来帮助识别和开发新药,也有助于开发新的、更轻和更强的从消费电子产品到飞机的材料。同时,量子处理器还有助于我们通过大型数据库更快地搜索信息。

 

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Caroline ▏ 整理
量豆豆 ▏ 校对
Core ▏ 编辑

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