硅自旋立方體中容錯量子計算的關鍵因素得以實現

目前，世界正處于開發大規模量子計算機的競賽中，在某些領域，它的表現可以大大超過經典計算機。然而，這些努力受到了一些因素的阻礙，特別是包括退相干問題，或在量子比特中產生的噪音干擾。這個問題隨著量子比特數量的增加而變得更加嚴重，阻礙了規模的擴大。為了實現可用于有用應用的大規模計算機，人們認為需要至少99%的雙量子比特門保真度來實現表面編碼的糾錯。這在某些類型的計算機中已經實現，例如使用基于超導電路、陷落離子和鉆石中的氮空穴中心的量子比特等等，但這些都很難擴展到實現實用量子計算所需的數百萬個量子比特的糾錯。

為了完成目前發表在《自然》雜志上的工作，該小組決定用一個量子點結構進行實驗，這個量子點是通過在一個緊張的硅/硅鍺量子阱襯底上的納米加工制造的，使用一個可控-NOT（CNOT）門。在以前的實驗中，由于門速度慢，門的保真度受到限制。為了提高柵極速度，他們精心設計了該裝置，并通過施加在柵極電極上的電壓來調整裝置的運行條件，以結合使用微磁體的既定快速單旋旋轉技術和大型雙量子比特耦合。這使他們能夠將柵極速度比以前的工作提高10倍。有趣的是，以前人們認為提高門速總是會導致更好的保真度，但他們發現有一個限制，超過這個限制，提高速度實際上會使保真度變差。

通過這項工作，他們發現一種被稱為拉比頻率的特性--一種標志著量子比特如何對振蕩場做出反應而改變狀態的特性，這是決定系統性能的關鍵，他們還發現了一個頻率范圍，在這個范圍內單量子比特門的保真度為99.8%，雙量子比特門的保真度為99.5%，達到了所需的閾值。

通過這一點，他們證明了可以實現通用操作，也就是說，所有構成量子操作的基本操作，包括單量子位操作和雙量子位操作，都可以在門保真度高于糾錯閾值的情況下進行。

為了測試新系統的能力，研究人員實施了雙量子位Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法。在這兩種算法上都輸出了正確的結果，保真度高達96-97%，表明硅量子計算機能以高精確度進行量子計算。

在同一期的《自然》雜志上，兩個獨立的研究小組也報告了在硅量子比特中實現的類似高保真通用量子門組的實驗演示。QuTech的一個團隊也使用了量子點中的電子自旋量子比特（自旋量子比特跨越表面代碼閾值的量子邏輯）。新南威爾士大學悉尼分校（University of New South Wales）的另一個團隊使用硅中一對離子植入的磷核作為核自旋量子比特（硅中三量子比特供體量子處理器的精確斷層掃描）。