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06-18
《半导体芯科技》 照片版权所有：普林斯顿大学 David Zajac 由普林斯顿大学研究人员领导的团队使用最常见的材料硅创建了构建量子计算机的基本构建模块。
研究人员已经证明了控制两个硅基量子位的行为的能力，为使用比其他方法更便宜、更容易制造的技术制造复杂的多量子位设备铺平了道路。
在使用日常材料构建量子计算机方面迈出了重要的一步，由普林斯顿大学研究人员领导的一个团队最近构建了关键的硅硬件，可以以极高的精度控制两个电子之间的量子行为。
该研究于 12 月发表在《科学》杂志上。
该团队构建了一个控制电子之间相互作用的门，使其充当量子计算所需的信息量子位或量子位。
这种几乎无差错的双量子位门的演示是用硅构建更复杂的量子计算设备的重要早期步骤，硅与传统计算机和智能手机中使用的材料相同。
普林斯顿大学物理系教授贾森·佩塔 (Jason Petta) 表示：“我们知道，如果硅基技术有望在扩大规模和构建量子计算机方面发挥作用，我们就需要使这项实验成为可能。
” “这种高保真双量子位门为更大规模的“基于硅的设备可能比其他支持量子计算机的技术更便宜、更容易制造。
”而其他研究小组和公司已经宣布了包含 50 或更多的量子位，这些系统需要特殊材料，例如通过激光锁定的超导体或带电原子，这些设备可以解决传统计算机无法解决的问题，或者找到复杂问题的最佳解决方案。
研究人员了解了原子和分子等极小粒子的物理特性，从而在材料科学和药物开发等领域取得了进步，双量子位硅基门由硅中的两个电子（带箭头的蓝色球）组成。
通过通过氧化铝 (Al2O3) 线（红色和绿色）施加电压，研究人员捕获电子并诱发量子行为，将其自旋特性转换为信息量子位或量子位。
左图显示了该设备的扫描电子显微照片，尺寸约为纳米 (nm)。
右图是设备侧面的示意图。
图片来源《科学》/美国科学促进会。
构建量子计算机需要研究人员创建量子位并将它们以高保真度相互耦合。
硅基量子器件利用电子的量子特性（称为“自旋”）来编码信息。
自旋可以向上或向下，类似于磁铁的北极和南极。
相比之下，传统计算机通过操纵电子的负电荷来工作。
为了实现高性能，基于自旋的量子器件因其自旋态的脆弱性而受到阻碍——它们很容易从上到下翻转，反之亦然，除非它们可以被隔离到非常纯净的环境中。
通过构建硅量子器件，普林斯顿大学量子器件纳米制造实验室的量子器件研究人员能够在相对较长的时间内保持自旋的相干性（即它们的量子态）。
为了构建双量子位门，研究人员将非常细的铝线铺在高度有序的硅晶体上。
这些导线提供电压，捕获由电子势垒隔开的两个单电子，这些电子被称为双量子点的量子井状结构中的电子。
通过短暂降低能垒，研究人员允许电子共享量子信息，形成一种称为纠缠的特殊量子态。
这些捕获和纠缠的电子现在可以用作量子位，就像传统的计算机位一样，但具有超能力：传统位可以表示 0 或 1，但每个量子位可以同时表示 0 和 1。
这极大地扩展了可以同时比较的可能排列的数量。
普林斯顿大学物理系研究生、该论文的第一作者 David Zajac 表示：“我们面临的挑战是建造足够小的人造结构，以捕获和控制单个电子，而不会在长时间存储时损坏它们，这是非常困难的。
”学习。
“这是硅中两个电子自旋之间纠缠的首次演示，硅是已知的电子和状态最干净的环境之一。
”研究人员表明他们可以使用第一个量子位。
控制第二个量子位意味着该结构充当受控非（CNOT）门，这是常见计算机电路元件的量子版本。
研究人员通过施加磁场来控制第一个量子位的行为。
门根据第一个量子位的状态产生结果：如果第一个自旋向上，则第二个量子位的自旋将翻转；如果第一个自旋向上，则第二个量子位的自旋将翻转。
但如果第一个量子位的自旋向下，第二个量子位的自旋就会翻转。
旋转不会翻转。
“如果另一个粒子处于特定的配置，门基本上只会对一个粒子起作用，”佩塔说。
“一个粒子发生的事情取决于另一个粒子。
”研究人员表明，他们可以以超过 99% 的保真度保留电子自旋的量子态，并且门工作可靠，能够以大约 75% 的机会翻转第一个粒子。
两个量子位的旋转。
研究人员表示，该技术有潜力以更低的错误率扩展到更多的量子位。
加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授姜洪文表示：“这项研究击败了全球竞争，展示了硅基量子位 CNOT 门中量子计算的基本构建模块。
两个量子位操作的误码率是明确的，绝对是一个基准。
尤其令人印象深刻的是，这是一个非常困难的实验，需要复杂的设备制造和对量子态的精确控制，但它是在一个只有少数研究人员的大学实验室中完成的。
普林斯顿大学的其他研究人员包括研究生菲利克斯·博尔扬斯 (Felix Borjans) 和助理研究员安东尼·西吉利托 (Anthony Sigillito)。
除了 Maximilian Russ 和 Guido 之外，该团队还包括国家标准与技术研究所所长、马里兰大学量子研究联合研究所所长 Jacob Taylor 和计算机科学联合中心的量子信息教授的理论工作投入德国康斯坦茨大学的布尔卡德。
该研究由美国陆军研究办公室的 WNF-15-1-项目、戈登和贝蒂摩尔基金会的 EPiQS 项目 GBMF 资助。
项目和国家科学基金会的 DMR 项目。
该器件由 David M. Zajac、Anthony J. Sigillito、Maximilian Russ、Felix Borjans、Jacob M. Taylor、Guido Burkard 在普林斯顿大学量子器件纳米制造实验室制造，并发表了研究报告“Resonantly Drives CNOTgate for electronics spin”由 Jason R. Petta 撰写，于 2019 年 12 月 7 日在线发表于《科学》杂志。
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