近日，《Nature》杂志同时刊登了三篇关于硅量子计算的论文，来自澳洲、荷兰、日本的3个不同团队的科学家们同时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位门保真度，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量子计算技术一样，是实现大规模量子计算机的有力候选者。

3篇论文之一的作者，新南威尔士大学（UNSW）的Andrea Morello教授说："当错误如此罕见时，就有可能检测到它们，并在它们发生时进行纠正。这表明有可能构建具有足够规模和足够能力的量子计算机来进行有意义的计算。”

Morello教授此前曾证明，由于核自旋与环境的极端隔离，可以在硅中保存量子信息35秒。

这一时长是谷歌和IBM量子计算机的100万倍，而后两者的超导量子计算机仅能将信息保存100微秒。

研究成果

 澳大利亚新南威尔士大学团队通过离子注入硅，在电子和两个磷原子组成的三量子比特系统上实现了1量子比特99.95%和2量子比特99.37%的保真度。

荷兰代尔夫特理工大学团队使用硅/硅锗合金量子点的电子自旋，实现了1量子比特99.87%和2量子比特99.65%的保真度。

日本RIKEN团队同样在使用硅/硅锗合金量子点的双电子系统，实现了1量子比特99.84%和2量子比特99.51%的保真度。

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，其中单量子位门保真度为99.8%，双量子位门保真度为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，包括单量子位运算和双量子位运算，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位的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。

硅中的半导体自旋量子位非常适合成为可靠量子计算机的首选平台，因为它们足够稳定，可以长时间保存量子信息，并且可以使用现有先进半导体制造技术中熟悉的技术进行扩展。

Morello教授说："然而，挑战是如何以足够高的精度执行量子逻辑操作，今天发表的三篇论文都展示了如何克服这一挑战，可以让错误更快地得到纠正。”

目前，世界正处于一场大型量子计算机的开发竞赛中，然而科学家的努力受到了一些因素的阻碍，比如消相干问题，即量子位元中产生的噪声。这个问题随着量子位数量增加会变得更严重，阻碍了规模的扩大。因此，为了实现可应用的大型计算机，科学家设定了至少99%的双量子位门保真度。现在，这已经在某些类型的计算机上实现了，可以说，科学家正在跨越硅量子计算机面临的关键挑战。

论文参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7；

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04273-w；

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y