总结: 研究人员在一个完全可互操作的阵列中设计了创纪录的6个硅基自旋量子位。重要的是，量子位可以以低错误率运行，这是通过新的芯片设计、自动化校准程序以及量子位初始化和读出的新方法实现的。这些进展有助于实现基于硅的可扩展量子计算机。



代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）和TNO大学的合作机构——QuTech的研究人员在一个完全可互操作的阵列中设计了创纪录的6个硅基自旋量子位。重要的是，量子位可以以低错误率运行，这是通过新的芯片设计、自动化校准程序以及量子位初始化和读出的新方法实现的。这些进展将有助于实现基于硅的可扩展量子计算机。该结果已经在的《自然》杂志上发表。

不同的材料可以用来生产量子比特，这是经典计算机比特的量子模拟，但没有人知道哪种材料最适合建造大规模量子计算机。到目前为止，只有较小规模的具有高质量量子位操作的硅量子芯片演示。现在，由Lieven Vandersypen教授领导的QuTech的研究人员已经生产出了一种6量子位的硅芯片，这种芯片的错误率很低。这是向使用硅的容错量子计算机迈出的重要一步。

为了制造量子位，单个电子被放置在六个“量子点”的线性阵列中，间隔90纳米。量子点阵列是在硅芯片上制成的，其结构与晶体管非常相似，晶体管是每个计算机芯片中的常见组件。称为自旋的量子力学性质用于定义量子位，其方向定义为0或1逻辑状态。该团队使用微调的微波辐射、磁场和电势来控制和测量单个电子的自旋，并使它们相互作用。

六量子位量子处理器。这些量子位是通过调整芯片上红色、蓝色和绿色导线的电压产生的。被称为SD1和SD2的结构是极其敏感的电场传感器，甚至可以检测到单个电子的电荷。这些传感器与先进的控制方案一起允许研究人员将单个电子放置在标记为(1)-(6)的位置，然后作为量子位进行操作。

“今天的量子计算挑战由两部分组成，”第一作者Stephan Philips先生解释道。“开发质量足够好的量子位，并开发一种允许人们建立大型量子位系统的架构。我们的工作属于这两类。由于建造量子计算机的总体目标是一项巨大的努力，我认为可以说我们在正确的方向上做出了贡献。”

电子自旋是一种微妙的性质。电磁环境的微小变化会导致自旋方向波动，这增加了错误率。QuTech团队基于他们以前的经验，用新的方法设计量子点，以制备、控制和读取电子的自旋状态。使用这种新的量子位排列，他们可以创造逻辑门，并根据需要纠缠两个或三个电子的系统。

使用超导量子位已经制造出超过50个量子位的量子阵列。然而，由于硅工程基础设施的全球可用性，硅量子器件具有更容易从研究转移到工业的前景。硅带来了一定的工程挑战，在QuTech团队的这项工作之前，只有多达三个量子位的阵列可以在硅中设计而不牺牲质量。

“这篇论文表明，通过精心的工程设计，有可能增加硅自旋量子位的数量，同时保持与单个量子位相同的精度。这项研究中开发的关键构建模块可以用于在下一轮研究中添加更多的量子位，”合著者Mateusz Madzik博士说。

“在这项研究中，我们推动了硅中量子位数量的极限，实现了高初始化保真度、高读出保真度、高单量子位门保真度和高双量子位状态保真度，”Vandersypen教授说。“但真正意义是，我们在一个实验中一起展示了创纪录数量的量子位的所有这些特征。”

查询进一步信息，请访问英文网站hhttps://qutech.nl/2022/09/28/full-control-of-a-six-qubit-quantum-processor-in-silicon/。（镨元素）