日本理化研究所科学家发现硅片上的三量子比特纠缠态

2021年09月13日 14:31 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

在许多类型的任务上,量子计算机有望在未来某一天大举超越传统计算机。尽管当前仍面临着许多亟需克服的困难,日本理化研究所(RIKEN)的一支科学家团队,还是找到了通往未来量子计算大门的一项新突破。在近日发表于《自然纳米科学》期刊上的一篇文章中,其详细介绍了在硅片上发现的三量子比特纠缠态。

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新器件的扫描电子显微镜(伪彩色)图像,来自:RIKEN

据悉,量子计算机利用了奇特的量子物理学原理,来大幅提升计算机的处理能力和速度。相关信息以类似于传统计算机的“比特”方式来存储,但“量子比特”还拥有一些意想不到的操纵方式。

得益于“量子纠缠”特性,当你检查其中一个粒子属性时,就可对应推断出一个(或多个)伙伴粒子的属性,且处于纠缠态的粒子无论相隔多远都会受到对应影响。

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研究配图 - 1:设备与实验设置

在量子计算机中,纠缠量子比特使得数据能够被更快地传输和处理、并改进了纠错。且在大多数时候,量子比特都是成对纠缠的。然而现在,RIKEN 研究团队已经首次发现了硅片上的三量子比特纠缠态。

在这种情况下,量子比特由被称作量子点的小硅圆组成。作为量子计算机中量子比特的主要候选者之一,硅片已经在电子产品中得到了广泛应用。

但更重要的是,这些量子点在很长一段时间内都是稳定的,能够精确控制、在更高的温度下运行、且可以相对简单地缩放规模。

三量子比特纠缠态能够更好地实现这一目的,且过去已有研究成功地将三个光子纠缠到一起。只是到目前为止,业界一直认为它们是可望而不可及的。

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研究配图 - 2:单个量子比特 / 受控相位操作

研究一作 Seigo Tarucha 表示:“双量子位操作足以执行基本的逻辑计算,但三量子位系统是扩大是实施纠错的最小单位”。

好消息是,由 RIKEN 新兴物质研究所打造的三量子点装置,就通过铝门控制实现了独特的操作。

每个量子点都包含了一个电子,可通过其自旋状态来代表二进制的 0 或 1,而无论其在给定时间是向上或向下。

此外磁场梯度使量子比特的共振频率保持分离,因而支持它们的单独寻址。

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研究配图 - 3:三量子比特纠缠的生成与测量

为了让三个量子比特纠缠在一起,研究团队先是使用被称作“双量子位门”的量子计算机公共单元,然后将第三个量子比特与该门纠缠在一起。

由此产生的三量子比特阵列具有 88% 的高保真度,表明量子比特在测量时处于“正确”状态的概率。研究团队补充道:这种强大的纠缠,能够被很好地运用于纠错。

因为在量子计算机中,量子比特倾向于随机翻转状态、并丢失其存储的信息。而在传统计算机上运行良好的校正方法,并不适用于新奇的量子系统。

相比之下,其它量子芯片设计需要使用九个量子比特的网格来相互监视,而 IBM 的纠错方案更是使用了非纠缠的量子比特,来检查邻近量子比特的状态。

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Seigo Tarucha(右二)及其同事们,来自:RIKEN 。

展望未来,RIKEN 研究团队还希望利用三量子比特设备来演示原始错误校正,并制造具有 10 个(或更多)量子比特位的设备。

Seigo Tarucha 表示,后续他们计划开发 50 - 100 个量子比特的装置,并套用更加复杂的纠错协议,为十年内制造大规模量子计算机而奠定基础。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊上。

原标题为《Quantum tomography of an entangled three-qubit state in silicon》。

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