98%!硅双量子比特保真度首次验证,将在量子计算机领域焕发“第二春”

2015 年，新南威尔士大学量子大牛 Andrew Dzurak 教授曾经带领他的团队实现一项量子计算机的里程碑成果——用半导体材料硅制造出量子逻辑门 (quantum logic gate)，首次使两个量子比特(quantum bits) 或者 “量子位”(qubits) 间信息计算成为可能。作为打造量子计算机的基本元件，两比特量子逻辑门的成功制造具有里程碑意义。当时，这一重要成果发表在了 Nature 上。

在成为首个在硅片上创建双量子比特门的团队之后，4 年过去了，他们又在打造基于硅片的量子计算机上迈出一大步——测量了硅双量子比特操作的准确性，这次论文也已经于 5 月 13 日在 Nature 在线发表。

这是科学家有史以来第一次测量了硅的双量子位逻辑运算的保真度。这项非常有前景的研究结果可以扩展应用到全集成量子芯片。随着 Andrew Dzurak 团队在硅量子研究的到位，在打造量子计算机的全球竞赛中，悉尼有望成为新的焦点。

“量子计算是本世纪的太空竞赛，而悉尼正处于领先地位，”对于团队取得的成果，新南威尔士大学工程学院院长 Hoffman 教授如此评价。他认为，这一突破证明这个世界领先的团队正在将量子计算从理论范围扩展到实际生活中。“这是实现大规模量子计算机的又一个里程碑式进展，它更加证实了硅是极具吸引力的方法这个事实。”

基于现有的硅基半导体技术打造一款真正意义上的量子芯片，一直是这支研究队伍的目标，如果他们能够实现这一目标，长久以来在现有的半导体工业中占据绝对主导地位的硅，又将在量子计算机领域焕发“第二春”。

量子计算研究已验证关键一步

量子计算机能通过利用量子物理学中的两个神奇原理，“纠缠（entanglement）”和 “叠加（superposition）”，以指数形式扩展计算机的处理速度。因为我们日常用的电脑中，存储和运算的单元态是“0” 和“1”，而量子计算中量子比特可以同时存储 0,1 的任意组合。也正是由于量子计算机一次可以存储多个值，所以可以同时处理它们，一次执行多个操作。

这将使量子计算机在解决一系列重要问题时，比传统计算机快数百万倍。对于一些具有挑战性的问题，例如设计复杂药物和先进材料、大型数据库搜索等，量子计算机可以在几天，甚至几个小时内就找到解决方案，而当今最好的传统超级计算机则需要数百万年。设计并建造一台这种真正意义上的通用量子计算机被称为“21 世纪的太空竞赛”，是一场划时代的科学革命。

图丨双量比特器件的布局和操作（来源：Nature）

然而，为了解决这些有挑战性的问题，并考虑到量子纠错等问题，科学家估计一台通用型的量子计算机往往需要大量数目的量子比特，很可能是几百万个，而且需要它们很稳定地工作。

此外，量子计算机的打造仍然存在几大挑战，例如如何最大限度地长时间保留其量子态叠加（这将有利于保留更长时的量子信息），如何更好地容错等等。目前我们所知的所有类型的量子比特都是非常脆弱的，因此任何微小的计算错误都可能给最终结果带来不可忽视的影响。

图丨Andrew Dzurak（来源：YouTube）

其中最基础的一个问题是，所有的量子计算都可以由一个量子比特或双量子比特的运算完成，这些量子计算的核心计算单元能否支撑准确的运算。2015 年，Dzurak 的团队率先在硅片上进行量子逻辑门的研究，通过双量子比特信息计算，以推进硅量子计算机的研发。此后，世界各地的许多团体都证实了硅能做出双量子比特逻辑门。但此前，这种双量子比特逻辑门的保真度尚不清楚。

保真度对量子成功至关重要。参与此次研究的高级研究员 Henry Yang 表示：“保真度是一个非常重要的参数，它决定了量子比特技术的可行性。如果量子比特操作接近完美，你能利用强大的量子计算能力进行运算，并只产生很小的误差。”

在这项研究中，该团队实施了基于“Clifford”（一种可以评估量子比特精度的技术）的保真度基准测试，研究结果证明平均两个量子比特逻辑门的保真度为 98％。

论文的第一作者、新南威尔士大学电气工程专业博士生 Wister Huang 说：“我们通过确认并减少主要误差获得了高保真度，并且使得我们的双量子器件十分可靠，能够达到长逻辑门运算序列的标准，甚至可以支持 50 多个逻辑门的运算。”

图丨Andrew Dzurak教授及其团队中的两位重要人员电气工程专业博士生Wister Huang、高级研究员Henry Yang博士（来源：UNSW SYDNEY）

“硅是必经之路”？

除了首次验证硅双量子比特运算的保真度以外，研究人员表示，此次成果亦进一步证明，硅作为技术平台非常适合扩展到通用量子计算上。

世界各地的科学家都在致力于利用特殊材料开发新型量子计算系统，新南威尔士研究团队的一个独特之处就在于，利用传统半导体材料硅作为研究材料。

“如果硅量子计算准确度太低，那将导致严重的问题。而现在，这个结果一度接近 99％，说明它能很好地满足我们的需求，并且有进一步改进的良好前景。正如我们预测的那样，研究结果显示出硅是全集成量子计算的可行平台，“ Dzurak 教授说，“我们认为在不久的将来我们会获得更高的保真度，并有望开启全集成、高容错量子计算的道路。我们现在处于双量子位精度时代的边缘，而量子纠错能力正好与之相称。”

图丨双量子比特随机基准测试（来源：Nature）

硅作为晶体管的载体在制造计算机芯片方面具有显著优势。

鉴于硅已经成为全球计算机行业近 60 年的核心元素，其性能已经得到很好的工业认可。由 Dzurak 教授团队开发的基于硅 CMOS 技术的自旋量子芯片（Spin qubits），在量子计算方面有很大的前景，有潜力利用现有的集成电路技术生成大量用于实际应用的量子比特。

Dzurak 教授已经领导了一个项目，与澳大利亚第一家量子计算公司 Silicon Quantum Computing 来推进 CMOS 硅量子技术发展，正致力于开发一种可用于现实应用的量子芯片。

按照团队的设想，首款全集成的量子芯片（A full-scale quantum processor ）会主要应用在金融、安全和医疗行业。它能大大加速制药化合物的计算机辅助设计过程，有助于识别和开发新药物。它还有助于开发新型更轻、更强的材料，可以用于飞机上的消费类电子产品。另外，它还能加速大型数据库的信息搜索。

如果硅真的如 Dzurak 所言，是量子计算的必经之路，那么，在目前几家押注通用量子计算的商业机构中，英特尔可能会笑到最后。

英特尔、IBM、微软、谷歌等公司都已在从事开发通用的量子计算机，但英特尔选择的路线和这几家稍有不同，它和新南威尔士团队一样，选择基于硅而非超导体作为量子比特的载体的技术路线。其实，英特尔本身已经具备大量基于硅的半导体专业技术和设备，在大规模生产硅量子上具有先发优势。

图丨高频振荡电磁场中的单个硅原子电子自旋。（来源：Arne Laucht/UNSW）

不过，总体来看，全球无论是商业公司、科研机构还是政府部门，在量子计算研究上取得的进展普遍低于预期，例如，谷歌曾经宣布要在 2017 年实现量子霸权，但目前这一目标未见达成。量子信息技术已经经历了广泛的原理性验证，是否能真正走出实验室，走向实用化和产业化，我们拭目以待。