98％！矽雙量子比特保真度首次驗證，雪梨團隊Nature刊文

2015 年，新南威爾士大學量子大牛 Andrew Dzurak 教授曾經帶領他的團隊實現一項量子計算機的里程碑成果——用半導體材料矽製造出量子邏輯門 (quantum logic gate)，首次使兩個量子比特(quantum bits) 或者 “量子位”(qubits) 間信息計算成為可能。作為打造量子計算機的基本元件，兩比特量子邏輯門的成功製造具有里程碑意義。當時，這一重要成果發表在了Nature上。

在成為首個在矽片上創建雙量子比特門的團隊之後，4 年過去了，他們又在打造基於矽片的量子計算機上邁出一大步——測量了矽雙量子比特操作的準確性，這次論文也已經於 5 月 13 日在Nature在線發表。

這是科學家有史以來第一次測量了矽的雙量子位邏輯運算的保真度。這項非常有前景的研究結果可以擴展應用到全集成量子芯片。隨著 Andrew Dzurak 團隊在矽量子研究的到位，在打造量子計算機的全球競賽中，雪梨有望成為新的焦點。

“量子計算是本世紀的太空競賽，而雪梨正處於領先地位，”對於團隊取得的成果，新南威爾士大學工程學院院長 Hoffman 教授如此評價。他認為，這一突破證明這個世界領先的團隊正在將量子計算從理論範圍擴展到實際生活中。“這是實現大規模量子計算機的又一個里程碑式進展，它更加證實了矽是極具吸引力的方法這個事實。”

基於現有的矽基半導體技術打造一款真正意義上的量子芯片，一直是這支研究隊伍的目標，如果他們能夠實現這一目標，長久以來在現有的半導體工業中佔據絕對主導地位的矽，又將在量子計算機領域煥發“第二春”。

圖丨此次論文（來源：Nature）

量子計算研究已驗證關鍵一步

量子計算機能通過利用量子物理學中的兩個神奇原理，“糾纏（entanglement）”和 “疊加（superposition）”，以指數形式擴展計算機的處理速度。因為我們日常用的電腦中，存儲和運算的單元態是“0” 和“1”，而量子計算中量子比特可以同時存儲 0,1 的任意組合。也正是由於量子計算機一次可以存儲多個值，所以可以同時處理它們，一次執行多個操作。

這將使量子計算機在解決一系列重要問題時，比傳統計算機快數百萬倍。對於一些具有挑戰性的問題，例如設計複雜藥物和先進材料、大型數據庫搜索等，量子計算機可以在幾天，甚至幾個小時內就找到解決方案，而當今最好的傳統超級計算機則需要數百萬年。設計並建造一台這種真正意義上的通用量子計算機被稱為“21 世紀的太空競賽”，是一場劃時代的科學革命。

圖丨雙量比特器件的布局和操作（來源：Nature）

然而，為了解決這些有挑戰性的問題，並考慮到量子糾錯等問題，科學家估計一台通用型的量子計算機往往需要大量數目的量子比特，很可能是幾百萬個，而且需要它們很穩定地工作。

此外，量子計算機的打造仍然存在幾大挑戰，例如如何最大限度地長時間保留其量子態疊加（這將有利於保留更長時的量子信息），如何更好地容錯等等。目前我們所知的所有類型的量子比特都是非常脆弱的，因此任何微小的計算錯誤都可能給最終結果帶來不可忽視的影響。

圖丨Andrew Dzurak（來源：YouTube）

其中最基礎的一個問題是，所有的量子計算都可以由一個量子比特或雙量子比特的運算完成，這些量子計算的核心計算單元能否支撐準確的運算。2015 年，Dzurak 的團隊率先在矽片上進行量子邏輯門的研究，通過雙量子比特信息計算，以推進矽量子計算機的研發。此後，世界各地的許多團體都證實了矽能做出雙量子比特邏輯門。但此前，這種雙量子比特邏輯門的保真度尚不清楚。

保真度對量子成功至關重要。參與此次研究的高級研究員 Henry Yang 表示：“保真度是一個非常重要的參數，它決定了量子比特技術的可行性。如果量子比特操作接近完美，你能利用強大的量子計算能力進行運算，並隻產生很小的誤差。”

在這項研究中，該團隊實施了基於“Clifford”（一種可以評估量子比特精度的技術）的保真度基準測試，研究結果證明平均兩個量子比特邏輯門的保真度為 98％。

論文的第一作者、新南威爾士大學電氣工程專業博士生 Wister Huang 說：“我們通過確認並減少主要誤差獲得了高保真度，並且使得我們的雙量子器件十分可靠，能夠達到長邏輯門運算序列的標準，甚至可以支持 50 多個邏輯門的運算。”

圖丨Andrew Dzurak教授及其團隊中的兩位重要人員電氣工程專業博士生Wister Huang、高級研究員Henry Yang博士（來源：UNSW SYDNEY）

“矽是必經之路”？

除了首次驗證矽雙量子比特運算的保真度以外，研究人員表示，此次成果亦進一步證明，矽作為技術平台非常適合擴展到通用量子計算上。

世界各地的科學家都在致力於利用特殊材料開發新型量子計算系統，新南威爾士研究團隊的一個獨特之處就在於，利用傳統半導體材料矽作為研究材料。

“如果矽量子計算準確度太低，那將導致嚴重的問題。而現在，這個結果一度接近 99％，說明它能很好地滿足我們的需求，並且有進一步改進的良好前景。正如我們預測的那樣，研究結果顯示出矽是全集成量子計算的可行平台，“ Dzurak 教授說，“我們認為在不久的將來我們會獲得更高的保真度，並有望開啟全集成、高容錯量子計算的道路。我們現在處於雙量子位精度時代的邊緣，而量子糾錯能力正好與之相稱。”

圖丨雙量子比特隨機基準測試（來源：Nature）

矽作為晶體管的載體在製造計算機芯片方面具有顯著優勢。

鑒於矽已經成為全球計算機行業近 60 年的核心元素，其性能已經得到很好的工業認可。由 Dzurak 教授團隊開發的基於矽 CMOS 技術的自旋量子芯片（Spin qubits），在量子計算方面有很大的前景，有潛力利用現有的集成電路技術生成大量用於實際應用的量子比特。

Dzurak 教授已經領導了一個項目，與澳大利亞第一家量子計算公司 Silicon Quantum Computing 來推進 CMOS 矽量子技術發展，正致力於開發一種可用於現實應用的量子芯片。

按照團隊的設想，首款全集成的量子芯片（A full-scale quantum processor ）會主要應用在金融、安全和醫療行業。它能大大加速製藥化合物的計算機輔助設計過程，有助於識別和開發新藥物。它還有助於開發新型更輕、更強的材料，可以用於飛機上的消費類電子產品。另外，它還能加速大型數據庫的信息搜索。

如果矽真的如 Dzurak 所言，是量子計算的必經之路，那麽，在目前幾家押注通用量子計算的商業機構中，英特爾可能會笑到最後。

英特爾、IBM、微軟、谷歌等公司都已在從事開發通用的量子計算機，但英特爾選擇的路線和這幾家稍有不同，它和新南威爾士團隊一樣，選擇基於矽而非超導體作為量子比特的載體的技術路線。其實，英特爾本身已經具備大量基於矽的半導體專業技術和設備，在大規模生產矽量子上具有先發優勢。

圖丨高頻振蕩電磁場中的單個矽原子電子自旋。（來源：Arne Laucht/UNSW）

不過，總體來看，全球無論是商業公司、科研機構還是政府部門，在量子計算研究上取得的進展普遍低於預期，例如，谷歌曾經宣布要在 2017 年實現量子霸權，但目前這一目標未見達成。量子信息技術已經經歷了廣泛的原理性驗證，是否能真正走出實驗室，走向實用化和產業化，我們拭目以待。

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