首次演示编码自旋量子比特的通用控制

　　硅中六点 SLEDGE 器件的渲染，该器件使用编码自旋量子比特实现了通用逻辑。来源：HRL实验室
　　HRL Laboratories， LLC发布了第一个对编码自旋量子比特进行通用控制的演示。这种新兴的量子计算方法使用一种新颖的硅基量子比特器件架构，在HRL的马里布洁净室制造，将单个电子捕获在量子点中。三个这样的单电子的自旋承载着能量简并量子比特状态，这些量子比特态由最近邻接触相互作用控制，这些相互作用部分交换与邻居的自旋状态。
　　HRL实验在发表在 《自然》 杂志之前在线发布，展示了对其编码量子比特的通用控制，这意味着量子比特可以成功地用于任何类型的量子计算算法实现。编码的硅/硅锗量子点量子位使用三个电子自旋和控制方案，其中施加到金属栅极的电压部分交换这些电子自旋的方向，而无需在任何特定方向上对齐它们。演示涉及在几百万分之一秒内应用数千个精确校准的电压脉冲，这些脉冲彼此严格相关。这篇文章的标题是＂硅中编码自旋量子位的通用逻辑＂。
　　所用富含同位素的硅提供的量子相干性、部分交换操作的全电和低串扰控制，以及编码对某些误差源的可配置不敏感性，共同为可扩展的容错和计算优势提供了一条强有力的途径，这是迈向商用量子计算机的重要一步。
　　＂除了设计和制造的明显挑战之外，还必须编写许多强大的软件，例如调整和校准我们的控制方案，＂HRL科学家和第一作者Aaron Weinstein说。＂在开发高效、自动化的例程方面投入了大量精力，以确定施加的电压导致部分交换的程度。由于必须实施数千个此类操作来确定错误级别，因此每个操作都必须精确。我们努力使所有这些控制都以高精度工作。
　　＂这在很大程度上是团队的努力，＂HRL小组负责人和合著者Mitch Jones说。＂才华横溢的控制软件、理论、设备开发和制造团队的使能工作至关重要。此外，需要对设备进行许多测量，以充分了解内部物理场，并开发例程来可靠地控制这些量子力学相互作用。这项工作和演示是这些测量的高潮，与我见过的一些最聪明的科学家一起工作的时间使这些测量变得更好。
　　＂很难定义什么是最好的量子比特技术，但我认为仅硅交换量子比特至少是最平衡的，＂HRL组长兼合著者Thaddeus Ladd说。＂在改善误差、规模、速度、均匀性、串扰和其他方面仍然存在真正的挑战，但这些都不需要奇迹。对于许多其他类型的量子比特，至少有一个方面看起来仍然非常非常困难。
　　一旦大规模实现，量子计算机将不同于传统的超级计算机，因为它们使用量子力学中称为量子纠缠的脆弱特征在很短的时间内执行某些计算，而传统计算机需要数年或数十年的时间。在许多可能的应用中，一个例子计算是模拟大分子的行为。
　　描述分子中的原子只需要少量的数据，但需要非常大的工作空间来计算分子中的电子可能具有的所有量子力学状态。量子化学模拟可以极大地影响许多技术方向，从材料开发到药物发现，再到减缓气候变化的过程的开发。
　　更多信息：  Aaron J. Weinstein 等人，硅中编码自旋量子位的通用逻辑，  《自然》（  2023 年）。DOI： 10.1038/s41586-023-05777-3
　　期刊信息：  自然