日本理化研究所科学家发现硅片上的三量子比特纠缠态

　　在许多类型的任务上，量子计算机有望在未来某一天大举超越传统计算机。尽管当前仍面临着许多亟需克服的困难，日本理化研究所（RIKEN）的一支科学家团队，还是找到了通往未来量子计算大门的一项新突破。在近日发表于《自然纳米科学》期刊上的一篇文章中，其详细介绍了在硅片上发现的三量子比特纠缠态。
　　新器件的扫描电子显微镜（伪彩色）图像，来自：RIKEN。
　　据悉，量子计算机利用了奇特的量子物理学原理，来大幅提升计算机的处理能力和速度。相关信息以类似于传统计算机的比特方式来存储，但量子比特还拥有一些意想不到的操纵方式。
　　得益于量子纠缠特性，当你检查其中一个粒子属性时，就可对应推断出一个（或多个）伙伴粒子的属性，且处于纠缠态的粒子无论相隔多远都会受到对应影响。
　　研究配图1：设备与实验设置
　　在量子计算机中，纠缠量子比特使得数据能够被更快地传输和处理、并改进了纠错。且在大多数时候，量子比特都是成对纠缠的。然而现在，RIKEN研究团队已经首次发现了硅片上的三量子比特纠缠态。
　　在这种情况下，量子比特由被称作量子点的小硅圆组成。作为量子计算机中量子比特的主要候选者之一，硅片已经在电子产品中得到了广泛应用。
　　但更重要的是，这些量子点在很长一段时间内都是稳定的，能够精确控制、在更高的温度下运行、且可以相对简单地缩放规模。
　　三量子比特纠缠态能够更好地实现这一目的，且过去已有研究成功地将三个光子纠缠到一起。只是到目前为止，业界一直认为它们是可望而不可及的。
　　研究配图2：单个量子比特受控相位操作
　　研究一作SeigoTarucha表示：双量子位操作足以执行基本的逻辑计算，但三量子位系统是扩大是实施纠错的最小单位。
　　好消息是，由RIKEN新兴物质研究所打造的三量子点装置，就通过铝门控制实现了独特的操作。
　　每个量子点都包含了一个电子，可通过其自旋状态来代表二进制的0或1，而无论其在给定时间是向上或向下。
　　此外磁场梯度使量子比特的共振频率保持分离，因而支持它们的单独寻址。
　　研究配图3：三量子比特纠缠的生成与测量
　　为了让三个量子比特纠缠在一起，研究团队先是使用被称作双量子位门的量子计算机公共单元，然后将第三个量子比特与该门纠缠在一起。
　　由此产生的三量子比特阵列具有88的高保真度，表明量子比特在测量时处于正确状态的概率。研究团队补充道：这种强大的纠缠，能够被很好地运用于纠错。
　　因为在量子计算机中，量子比特倾向于随机翻转状态、并丢失其存储的信息。而在传统计算机上运行良好的校正方法，并不适用于新奇的量子系统。
　　相比之下，其它量子芯片设计需要使用九个量子比特的网格来相互监视，而IBM的纠错方案更是使用了非纠缠的量子比特，来检查邻近量子比特的状态。
　　SeigoTarucha（右二）及其同事们，来自：RIKEN。
　　展望未来，RIKEN研究团队还希望利用三量子比特设备来演示原始错误校正，并制造具有10个（或更多）量子比特位的设备。
　　SeigoTarucha表示，后续他们计划开发50100个量子比特的装置，并套用更加复杂的纠错协议，为十年内制造大规模量子计算机而奠定基础。
　　有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《自然纳米技术》（NatureNanotechnology）期刊上。
　　原标题为《Quantumtomographyofanentangledthreequbitstateinsilicon》。