荷兰代尔夫特理工与荷兰应用科学研究组织的联合机构QuTech的研究人员，设计并实现了创纪录的6个硅基自旋量子比特量子处理器，可以以较低误差率运行。这是由新的芯片设计、自动校准程序以及量子比特初始化和读出的新方法实现的，这些进展将有助于实现基于硅的可扩展量子计算。该成果于9月28日发表在《自然》杂志上。
在实用的大规模量子计算的道路上，半导体量子点中的电子自旋量子比特显示出良好的前景，因为它们可以通过小尺寸、长寿命的相干性和与先进的半导体制造技术的兼容性进行扩展。然而，与超导、离子阱和光子平台相比，硅自旋量子比特的规模目前还很落后，迄今为止的演示使用了1到4个量子比特。此外，其他量子比特平台的经验表明，在扩大规模时，保持控制的质量需要大量的努力，例如，处理离子阱中更密集的运动谱，避免超导电路中的串扰或避免光子电路中的损失增加。因此，该领域的一个主要挑战和重要方向是在扩大量子比特数量的同时实现所有组件的高保真度。
QuTech的研究人员设计、制造和运行了一个六量子比特处理器，并同时实现了通用操作、态制备和测量的可观保真度。为了制造量子比特，单个电子被放置在一个由六个“量子点”组成的线性阵列中，其间距为90纳米。量子点阵列是在硅芯片中制作的，其结构与晶体管非常相似。使用电子自旋来定义量子比特，自旋方向定义了0或1的逻辑状态。该团队使用精细调谐的微波辐射、磁场和电势来控制和测量单个电子的自旋，并使它们相互作用。他们测试了使用已知方法可以获得的性能，还介绍了几种半导体量子比特的新技术，这些技术对于结果的改进和可扩展性是至关重要的，例如使用实时反馈通过测量进行初始化，无需访问储存库就可以进行量子比特初始化和测量，以及高效的校准例程，初始化和读出电路要跨越整个六个量子比特阵列。他们通过在阵列上制备两个和三个自旋的最大纠缠态来表征控制的质量。实验结果显示，所有单量子比特门的平均保真度在99.77 ± 0.04%到99.96 ± 0.01%之间，这表明，即使在这个扩展的量子比特阵列中，也保持了高保真的单量子比特控制，预计自旋相干性将受到微磁体耦合的电荷噪声的限制。在六点阵列上测量得到的密度矩阵的态保真度在88%到96%之间，较先前工作得到了大幅提升。
论文的通讯作者Vandersypen说：“在这项研究中，我们刷新了硅中量子比特数量的记录，实现了高初始化保真度、高读出保真度、高单量子比特门保真度和高双量子比特态保真度。但真正突出的是，我们在一个单一的实验中，在创纪录的量子比特上共同展示了所有这些特性。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05117-x
报道链接：
https://phys.org/news/2022-09-full-six-qubit-quantum-processor-silicon.html