量子位保真度高达99.3%！英特尔和QuTech发表在《Nature》的论文证明高于1开尔文实现双量子位控制

雷锋网消息，2020年4月15日，英特尔与QuTech共同在《自然》杂志（Nature）上发表了一篇论文，证明了在高于1开氏度下，能够成功控制“高温”量子位（量子计算的基本单位）。该研究还重点论述了对两个量子位的单独相干控制，其单量子位保真度高达99.3%。这些突破突显出对未来量子系统和硅自旋量子位进行低温控制的潜力，硅自旋量子位与单电子晶体管极为相似，可以集成在一个封装内。

英特尔已经发明了一种自旋量子位制造流程，基于300毫米工艺技术，使用的是这种同位素纯晶圆（硅晶圆）。（图片来源：Walden Kirsch/英特尔公司）

这一研究实现了关键性能突破。一般来说，除非将量子位冷却到接近绝对零度（-273摄氏度，或0开氏度），否则量子位中存储的量子信息通常很快就会丢失。在《自然》杂志重点报道的研究中，英特尔和QuTech首次展现了如何运行较高温度、较大密度且相干的量子位。这些密集的量子位能够在相对较高的温度下高质量运行。

随着这项研究的开展，研究人员同时证明，1开氏度以上温度可以实现硅量子点的单量子位控制。但是直到此前，只有在40毫开氏度的低温下，才能实现对两个量子位的控制。英特尔与QuTech的合作研究展现了新的突破，在1.1开氏度下，可以运行量子电路中的完整双量子位逻辑单元。

通过这项研究，英特尔和QuTech还证明了能够控制双量子位系统电子自旋的能力，并测量出单量子位保真度高达99.3%，且可对系统进行精确调整。此外，研究团队还证明在45毫开氏度到1.25开氏度的温度范围内，自旋量子位的性能受影响最小。

英特尔研究院量子硬件总监Jim Clarke表示：“这项研究代表我们对硅自旋量子位的研究取得了意义非凡的进展，我们认为硅自旋量子位是一个极具潜力的候选技术，有望赋能商业规模级量子系统，因为它们非常类似于英特尔已制造超过50年之久的晶体管。我们证明高温量子可以在更高的温度下工作，同时保持高保真度，这为在不会影响量子位性能的情况下，实现各种本地量子位控制选项铺平了道路。”

据雷锋网了解，目前业界包括英特尔、IBM、谷歌都在研究超导量子位的路径。超导量子位是在2000年后由美国的两家实验室做出来的，它通过固态电路超导、零卡尔文或几个毫卡尔文的温度下能够达到量子态。

硅自旋量子位是英特尔实现量子计算一个独一无二的路径，这个路径非常适合使用英特尔现在的一整套硅半导体工艺，发挥出英特尔的优势。英特尔已经可以在12寸的晶圆上制造出两个硅自旋量子位，然后控制它们进行纠缠。硅自旋量子位的优势是可以利用具体粒子做量子位，实现起来体积更小，更适合构造大型量子计算系统。

虽然不同的量子计算路径之间是相互独立的关系，但目前面临的挑战是相同的。能否将量子计算应用于实际问题中，取决于同时以高保真度扩展和控制数千个（甚至是数百万个）量子位的能力。然而，当前的量子系统设计受限于整体系统尺寸、量子位保真度，尤其是大规模管理量子所需的控制电子器件的复杂程度。

在一个芯片上集成控制电子器件和自旋量子位，可以大大简化两者之间的互连。但是要实现这一目标，提高量子位的工作温度至关重要。在此之前，量子计算机被证明只能在毫开尔文的温度范围内工作——只比绝对零度高出零点几度。现在，随着对高温量子的研究，QuTech与英特尔的合作已经证明了一个假设，即硅自旋量子位有可能在略高于当前量子系统运行温度中工作，从而向量子计算的可扩展性迈出了一步。

利用硅自旋量子推进量子计算，让英特尔能够利用在先进封装和互连技术方面的专业性，为实现量子实用性开辟一条可扩展的道路。英特尔将持续推进全栈量子系统的发展，这项研究正是建立在此前的一系列工作之上，包括去年年底推出的首款Horse Ridge低温量子控制芯片。雷锋网

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