日本理化研究所（RIKEN）的研究团队首次在硅量子点器件中使用基于电子自旋的量子比特实现了三量子比特门和基本的量子纠错。该成果于8月24日发表在《自然》杂志上[1]。
量子计算机可以通过同时编码多条信息来执行传统计算机难以进行的高速计算。基于各种物理系统的量子计算机正在研究中，其中，使用硅量子点器件的硅量子计算机与半导体行业现有的集成技术兼容，前景乐观。由于量子态的脆弱性，量子计算容易出错，纠错技术是实际量子计算所必需的。最基本的量子纠错演示需要至少三个量子比特。然而，由于三个或更多量子比特的同时控制和测量等技术问题，在硅量子计算机中实现量子纠错一直很困难。
量子点结构是通过精密加工在硅/硅锗半导体衬底上制造的，通过控制施加在栅电极上的电压，可以形成具有高自由度的量子点并控制它们的电子自旋态。该团队之前的研究已经实现了2个量子比特的量子门[2]，而在这项研究中，他们实现了一个Toffoli门，它是一个3量子比特门。Toffoli门是一种只有在两个辅助量子比特都处于“0”状态时才翻转目标量子比特（数据量子比特）状态的操作，可以校正量子比特态。然后，他们使用这个Toffoli门来实现一个3量子比特相位误差校正电路。将三个量子比特编码成量子纠缠态，如果三个量子比特中的任何一个出现相位误差，就可以对其进行解码。通过变换的逆运算反映辅助量子比特的状态：由于解码后的两个辅助量子比特的状态与已发生的相位错误类型一一对应，因此可以进行错误检测。此外，数据量子比特的初始态可以根据辅助量子比特的状态添加校正来恢复。
研究人员表示，由于最近实现了高精度自旋控制[2]和本研究中对量子纠错的演示，可以说控制少量硅量子比特的技术已经完善。未来，将基于这些基本工作原理，通过与具有半导体工艺技术的公司合作，加速硅量子比特大规模集成的研究。
论文链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04986-6
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y
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