日本理化研究所科學家發現硅片上的三量子比特糾纏態

在許多類型的任務上,量子計算機有望在未來某一天大舉超越傳統計算機。儘管當前仍面臨著許多亟需克服的困難,日本理化研究所(RIKEN)的一支科學家團隊,還是找到了通往未來量子計算大門的一項新突破。在近日發表於《自然納米科學》期刊上的一篇文章中,其詳細介紹了在硅片上發現的三量子比特糾纏態。

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新器件的掃描電子顯微鏡(偽彩色)圖像,來自:RIKEN 。

據悉,量子計算機利用了奇特的量子物理學原理,來大幅提升計算機的處理能力和速度。相關信息以類似於傳統計算機的“比特”方式來存儲,但“量子比特”還擁有一些意想不到的操縱方式。

得益於“量子糾纏”特性,當你檢查其中一個粒子屬性時,就可對應推斷出一個(或多個)夥伴粒子的屬性,且處於糾纏態的粒子無論相隔多遠都會受到對應影響。

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研究配圖 – 1:設備與實驗設置

在量子計算機中,糾纏量子比特使得數據能夠被更快地傳輸和處理、並改進了糾錯。且在大多數時候,量子比特都是成對糾纏的。然而現在,RIKEN 研究團隊已經首次發現了硅片上的三量子比特糾纏態。

在這種情況下,量子比特由被稱作量子點的小硅圓組成。作為量子計算機中量子比特的主要候選者之一,硅片已經在電子產品中得到了廣泛應用。

但更重要的是,這些量子點在很長一段時間內都是穩定的,能夠精確控制、在更高的溫度下運行、且可以相對簡單地縮放規模。

三量子比特糾纏態能夠更好地實現這一目的,且過去已有研究成功地將三個光子糾纏到一起。只是到目前為止,業界一直認為它們是可望而不可及的。

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研究配圖 – 2:單個量子比特 / 受控相位操作

研究一作 Seigo Tarucha 表示:“雙量子位操作足以執行基本的邏輯計算,但三量子位系統是擴大是實施糾錯的最小單位”。

好消息是,由 RIKEN 新興物質研究所打造的三量子點裝置,就通過鋁門控制實現了獨特的操作。

每個量子點都包含了一個電子,可通過其自旋狀態來代表二進制的 0 或 1,而無論其在給定時間是向上或向下。

此外磁場梯度使量子比特的共振頻率保持分離,因而支持它們的單獨尋址。

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研究配圖 – 3:三量子比特糾纏的生成與測量

為了讓三個量子比特糾纏在一起,研究團隊先是使用被稱作“雙量子位門”的量子計算機公共單元,然後將第三個量子比特與該門糾纏在一起。

由此產生的三量子比特陣列具有 88% 的高保真度,表明量子比特在測量時處於“正確”狀態的概率。研究團隊補充道:這種強大的糾纏,能夠被很好地運用於糾錯。

因為在量子計算機中,量子比特傾向於隨機翻轉狀態、並丟失其存儲的信息。而在傳統計算機上運行良好的校正方法,並不適用於新奇的量子系統。

相比之下,其它量子芯片設計需要使用九個量子比特的網格來相互監視,而 IBM 的糾錯方案更是使用了非糾纏的量子比特,來檢查鄰近量子比特的狀態。

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Seigo Tarucha(右二)及其同事們,來自:RIKEN 。

展望未來,RIKEN 研究團隊還希望利用三量子比特設備來演示原始錯誤校正,並製造具有 10 個(或更多)量子比特位的設備。

Seigo Tarucha 表示,後續他們計劃開發 50 – 100 個量子比特的裝置,並套用更加複雜的糾錯協議,為十年內製造大規模量子計算機而奠定基礎。

有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《自然納米技術》(Nature Nanotechnology)期刊上。

原標題為《Quantum tomography of an entangled three-qubit state in silicon》。