在建造量子计算硬件的竞赛中，硅光闪耀

诸平

Silicon-based device in development for use in quantum computers. Gate electrodes shown in blue, red, and green are used to define the quantum dot potentials while the micromagnet on top provides a magnetic field gradient. The image was taken using scanning electron microscopy and the colors were applied for clarity. Credit: Adam Mills, Princeton University

据美国普林斯顿大学（ Princeton University）2022年4月6日提供的消息，在建造量子计算硬件的竞赛中，硅开始发光（In race to build quantum computing hardware, silicon begins to shine）。

基于硅的用于量子计算机的设备正在开发之中。上述由普林斯顿大学亚当·米尔斯（Adam Mills）提供放入图示，用蓝色、红色和绿色表示的栅电极用来定义量子点势（quantum dot potentials），而顶部的微磁铁提供磁场梯度。图像是用扫描电子显微镜拍摄的，颜色是用于清晰度。

由普林斯顿大学物理学家进行的研究正在为量子计算技术的应用铺平道路，特别是量子比特（quantum bits）——量子计算机的基本单位。这项研究有望加速硅技术的应用，使其成为替代其他量子计算技术(如超导体或捕获离子)的可行选择。相关研究结果已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Adam R. Mills, Charles R. Guinn, Michael J. Gullans, Anthony J. Sigillito, Mayer M. Feldman, Erik Nielsen, Jason R. Petta. Two-qubit silicon quantum processor with operation fidelity exceeding 99%. Science Advances, Published 6 Apr 2022, 8(14). DOI: 10.1126/sciadv.abn5130. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5130

在此项研究中，普林斯顿大学的物理学家使用了一个双量子位硅量子器件（two-qubit silicon quantum device），实现了前所未有的保真度（fidelity）。在99%以上，这是迄今为止在半导体中双量子位门（two-qubit gate）所达到的最高保真度，与竞争技术所达到的最佳效果相当。保真度是对量子位执行无错误操作能力的衡量，是开发实用高效量子计算的一个关键特征。

世界各地的研究人员正试图弄清楚哪些技术——例如超导量子位元（superconducting qubits）、被困离子（trapped ions）或硅自旋量子位元（silicon spin qubits）——最适合用作量子计算（quantum computing）的基本单元。同样重要的是，研究人员正在探索哪些技术将有能力最有效地扩大到商业用途。

普林斯顿大学物理系研究生、上述论文的第一作者亚当·米尔斯(Adam Mills)说：“硅自旋量子位正在(在该领域)获得发展势头。对整个硅行业来说，今年看起来是重要的一年。”

通过使用一种被称为双量子点（double quantum dot）的硅器件，普林斯顿大学的研究人员能够捕获两个电子，并迫使它们相互作用。每个电子的自旋状态可以用作一个量子位元，电子之间的相互作用可以纠缠这些量子位元。这种操作对量子计算至关重要，由普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授（Eugene Higgins Professor of Physics at Princeton）杰森·佩塔（Jason Petta）领导的研究小组，能够以超过99.8%的保真度水平完成这种纠缠运算。

量子位，用最简单的术语来说，是计算机位的量子版本，是计算机中数据的最小单位。就像它的经典对等物一样，量子位被编码为可以为1或0的信息。但与比特不同的是，量子位能够利用量子力学的概念，因此它可以执行经典比特不能执行的任务。

亚当·米尔斯说：“在一个量子位中，你可以对0和1进行编码，但你也可以对这些0和1进行叠加。”这意味着每个量子位可以同时是0和1。这个概念，被称为叠加（superposition），是量子力学的一个基本性质，它允许量子位元进行看起来令人惊异和超凡脱世的运算。在实践中，它使量子计算机比传统计算机具有更大的优势，例如，分解非常大的数，或分离出问题的最优解。

自旋量子位元中的“自旋”是电子的角动量。这是一种量子特性，表现为可以用来编码信息的微小磁偶极子。一个经典的类比是指南针，它有南极和北极，并旋转与地球磁场对齐。在量子力学上，电子的自旋可以与实验室中产生的磁场对齐即平行(自旋向上)，或与磁场反平行(自旋向下)，或处于自旋向上和自旋向下的量子叠加状态。自旋是硅基量子器件中电子的特性;相比之下，传统计算机是通过操纵电子的负电荷来工作的。

亚当·米尔斯断言，一般来说，硅自旋量子位比其他类型的量子位有优势。他说:“我们的想法是，每个系统都必须扩展到许多量子位。目前，其他量子位系统在可扩展性方面存在实际的物理限制。对于这些系统来说，大小可能是一个真正的问题。你只能把这些东西塞进去这么大的空间。”

相比之下，硅自旋量子位是由单个电子构成的，而且非常小。

杰森·佩塔教授说:“我们的设备只有大约100纳米宽，而传统的超导量子位元更接近300微米宽，所以如果你想在一个芯片上制造很多，使用超导方法将会很困难。”

杰森·佩塔补充说，硅自旋量子位的另一个优势是，今天的传统电子技术都是基于硅技术。“我们的感觉是，如果你真的想要制造100万或1000万的量子位元来做一些实际的事情，那只会发生在一个可以使用标准半导体制造行业放大的固态系统中。”

然而，像其他类型的量子位一样，使用高保真度的自旋量子位对研究人员来说是一个挑战。

“自旋量子位技术的一个瓶颈是，直到最近，双量子位门（two-qubit gate）保真度还没有那么高，”杰森·佩塔说。“在大多数实验中，它远远低于90%。”

但杰森·佩塔、亚当·米尔斯和研究团队相信，这是一个可以实现的挑战。

为了进行实验，研究人员首先必须捕获单个电子——这不是一项小任务。

杰森·佩塔说:“我们正在捕获一个电子，一个非常小的粒子，我们需要把它放到一个特定的空间区域，然后让它跳舞。”

为了做到这一点，亚当·米尔斯、杰森·佩塔和他们的同事需要建造一个“笼子”。它采用了主要由硅制成的极薄半导体的形式。在这个装置的顶部，研究小组设计了一些小电极，这些电极可以产生静电势来控制电子。两个这样的笼子放在一起，被一个屏障或门隔开，构成了双量子点（double quantum dot）。

杰森·佩塔说:“我们有两个相邻的旋转点。通过调节这些栅极上的电压，我们可以暂时将电子推到一起，使它们相互作用。这被称为双量子位门（two-qubit gate）。”

这种相互作用使每个自旋量子位元根据其相邻的自旋量子位元的状态演化，从而导致量子系统中的纠缠。研究人员能够以超过99%的保真度执行这种双量子位交互。迄今为止，这是杰森·佩塔说，这项实验的结果将这项技术——硅自旋量子位（silicon spin qubits）——与其他主要竞争技术取得的最佳结果置于同等地位。他说:“这项技术正在强劲增长，我认为它超越超导系统只是时间问题。”

杰森·佩塔补充说：“这篇论文的另一个重要方面是，它不仅仅是一个高保真双量子位门的演示，而且这个设备可以做到这一切。”这是半导体自旋量子位系统的首次演示，我们集成了整个系统的性能——状态准备、读出、单量子位控制、双量子位控制——所有的性能指标都超过了使更大规模的系统工作所需的阈值。”

除了亚当·米尔斯和杰森·佩塔，这项工作还包括普林斯顿大学研究生查尔斯·吉恩（Charles Guinn）和梅尔·费尔德曼（Mayer Feldman），以及美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）电气工程助理教授安东尼·西吉利托（Anthony Sigillito）的付出。普林斯顿大学物理系和美国国家标准技术研究所（National Institute of Standards and Technology简称NIST）/马里兰大学（University of Maryland）量子信息与计算机科学中心的Michael Gullans，以及新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico）的埃里克·尼尔森（Erik Nielsen），也对论文和研究做出了贡献。

此研究得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation: DMR-2011750）、美国能源部（U.S. Department of Energy: DE-NA0003525）、美国陆军研究办公室（Army Research Office: W911NF-15-1-0149）以及美国国防部先进研究项目局（Defense Advanced Research Projects Agency: D18AC0025）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

在一个完全可控的自旋量子位阵列中实现了三量子位的纠缠态（A three-qubit entangled state has been realized in a fully controllable array of spin qubits in silicon） 

Abstract

Silicon spin qubits satisfy the necessary criteria for quantum information processing. However, a demonstration of high-fidelity state preparation and readout combined with high-fidelity single- and two-qubit gates, all of which must be present for quantum error correction, has been lacking. We use a two-qubit Si/SiGe quantum processor to demonstrate state preparation and readout with fidelity greater than 97%, combined with both single- and two-qubit control fidelities exceeding 99%. The operation of the quantum processor is quantitatively characterized using gate set tomography and randomized benchmarking. Our results highlight the potential of silicon spin qubits to become a dominant technology in the development of intermediate-scale quantum processors.