中國研究人員成功展示了一款能夠執(zhí)行全套錯誤檢測邏輯運(yùn)算的硅基量子處理器，標(biāo)志著向?qū)嵱没孔佑嬎氵~出關(guān)鍵一步。來自深圳國際量子研究院的團(tuán)隊構(gòu)建的器件可在處理量子信息的同時進(jìn)行錯誤檢測，此類功能此前已在超導(dǎo)電路等平臺實現(xiàn)，但在硅基領(lǐng)域尚屬首次。

量子系統(tǒng)對噪聲極為敏感，噪聲會引發(fā)擾亂計算過程的錯誤。解決方案之一是將信息編碼為可檢測并處理此類錯誤的邏輯量子比特。研究人員表示，其研究表明容錯量子計算的關(guān)鍵構(gòu)建模塊現(xiàn)已可在硅材料中實現(xiàn)——這種材料在當(dāng)代電子工業(yè)中應(yīng)用廣泛。

從量子比特到邏輯運(yùn)算

該處理器通過將磷原子以原子級精度嵌入硅材料中制成，實現(xiàn)了對量子比特的單獨(dú)操控。團(tuán)隊還開發(fā)出減少信號干擾的方法，信號干擾正是量子系統(tǒng)的主要錯誤來源。

研究人員利用四個量子比特編碼出兩個可在計算過程中檢測錯誤的邏輯量子比特。該方案使系統(tǒng)能夠標(biāo)記出可能影響計算結(jié)果的非必要噪聲。

研究展示了完整的操作鏈條，包括制備錯誤校驗態(tài)、執(zhí)行邏輯運(yùn)算，并將其應(yīng)用于算法之中。

為測試系統(tǒng)，團(tuán)隊運(yùn)行了量子算法來計算水分子的最低能量狀態(tài)。計算結(jié)果與理論值高度吻合，證明該系統(tǒng)能處理實際任務(wù)。

運(yùn)行真實算法

研究人員采用變分量子特征值求解器對水分子進(jìn)行模擬，所得結(jié)果與預(yù)期值的偏差微小。這表明該方案未來有望支撐現(xiàn)實世界的量子應(yīng)用。

該研究還表明，硅基系統(tǒng)可突破僅控制少量量子比特的局限，實現(xiàn)內(nèi)置錯誤檢測的協(xié)同操作。

硅材料因在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，始終是擴(kuò)展量子計算機(jī)規(guī)模的有力候選者，這有助于未來更高效地生產(chǎn)量子系統(tǒng)。

團(tuán)隊表示，下一步工作包括提升原子定位精度、進(jìn)一步降低信號干擾，以及增加單芯片上的量子比特數(shù)量。

長期目標(biāo)則是構(gòu)建能在保持錯誤控制的同時執(zhí)行更復(fù)雜計算的大型系統(tǒng)。

該研究成果發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》。

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