《自然》杂志1月19日连发三篇论文，来自三个团队的科学家们在开发容错量子计算机方面取得重要突破。他们验证了硅双量子比特门保真度，超越了容错计算机的阈值（99%）。研究结果证实，硅材料中强大、可靠的量子计算正在成为现实。研究还表明，硅量子计算机与超导和离子阱一样，是实现大规模量子计算机研发的有前途的候选者。
澳大利亚新南威尔士大学研究团队[1]在两个磷原子核自旋之间创建了双量子比特通用量子逻辑运算，通过行业标准的离子注入方法将其引入硅中。他们使用一种被称为“量子门集层析成像（GST）”的方法，对其量子处理器的性能进行了验证，实现了高达99.95%的单量子比特保真度和99.37%的双量子比特保真度。此外，根据研究结果，电子自旋本身就是一个量子比特，可和两个原子核纠缠在一起，形成一个三量子比特的量子纠缠态，这一保真度达到了92.5%。这为大型硅基量子处理器在现实世界中的制造和应用铺平了道路。
荷兰代尔夫特理工大学研究团队[2]使用由硅和硅锗合金堆栈形成的材料创造了一个双量子比特系统，其中量子信息被编码在限制于量子点的电子自旋中，最终实现99.87%的单量子比特保真度和99.65%的双量子比特保真度。
日本理化学研究所的研究团队[3]采取了类似的路线，使用代尔夫特团队生产的相同材料堆栈，创建了双电子量子比特，实现了99.8%的单量子比特保真度和99.5%的双量子比特保真度。研究结果首次使自旋量子比特在通用量子控制性能方面与超导电路和离子阱相当。
来自荷兰和日本的研究团队在合作实验过程中发现，一种名为拉比频率的属性是量子计算机系统性能的关键。他们还发现了一个频率范围，其中单量子比特门保真度为99.8%，双量子比特门保真度为99.5%，达到了所需的阈值。
研究人员证明了他们可实现通用运算，这意味着构成量子运算的所有基本运算，包括单量子比特运算和双量子比特运算，都可在高于纠错阈值的门保真度下执行。
为了测试新系统的性能，研究人员还采用了双量子比特的Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法。这两种算法都能以96%—97%的高保真度输出正确的结果，表明硅量子计算机可进行高精度的量子计算。
参考文献：
[1] M. T. Mdzik, S. Asaad, A. Youssry, B. Joecker, K. M. Rudinger, E. Nielsen, K. C. Young, T. J. Proctor, A. D. Baczewski, A. Laucht, V. Schmitt, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. M. Jakob, B. C. Johnson, D. N. Jamieson, A. S. Dzurak, C. Ferrie, R. Blume-Kohout, A. Morello. Precision tomography of a three-qubit electron-nuclear quantum processor in silicon, Nature 601, 348 (2022).
[2]X. Xue, M. Russ, N. Samkharadze, B. Undseth, A. Sammak, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen. Quantum logic with spin qubits crossing the surface code threshold, Nature 601, 343 (2022).
[3]A. Noiri, K. Takeda, T. Nakajima, T. Kobayashi, A. Sammak, G. Scappucci, S. Tarucha. Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold in silicon, Nature 601, 338 (2022).