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設(shè)置星標(biāo) 關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

目前阻礙大規(guī)模量子計(jì)算發(fā)展的主要挑戰(zhàn)，是難以檢測和糾正在操作過程中因噪聲、有缺陷的控制信號(hào)以及其他干擾源導(dǎo)致的錯(cuò)誤。當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，對(duì)此敏感的量子比特的取值可能從1翻轉(zhuǎn)為0或從0翻轉(zhuǎn)為1。更多這樣的量子比特翻轉(zhuǎn)意味著錯(cuò)誤累積，最終結(jié)果則是計(jì)算錯(cuò)誤。

眼下，澳大利亞新南威爾士大學(xué)和墨爾本大學(xué)的量子工程師設(shè)計(jì)出一種編碼量子信息的方法，此方法可以減小錯(cuò)誤積累的影響，并于錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)標(biāo)記、糾正它們。新成果發(fā)表于今年1月的《自然-物理》 (Nature Physics) 雜志。

研究小組將一個(gè)銻原子嵌入硅器件內(nèi)，以創(chuàng)建一個(gè)量子比特。標(biāo)準(zhǔn)量子比特有兩種自旋狀態(tài)(這是粒子的固有屬性，可類比為微型旋轉(zhuǎn)磁體)，但質(zhì)量較大的銻原子有8種可能的核自旋態(tài)。這使得研究者可將銻原子自旋序列兩端的狀態(tài)分別編碼為0和1，另外6種中間的狀態(tài)作為輔助態(tài)。

科學(xué)家創(chuàng)造了一種“七命貓”式、更能容錯(cuò)的新型量子比特

擁有多重輔助狀態(tài)具備怎樣的優(yōu)勢？項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、量子工程學(xué)教授安德里亞·莫雷洛(Andrea Morello)引用“貓有九條命”的古老傳說來作解釋。

“銻原子有8個(gè)量子能級(jí)，從第一能級(jí)到最后一個(gè)能級(jí)，需經(jīng)7步，這就像1只擁有7條性命的貓。出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，它會(huì)將量子比特的0提升一個(gè)不用于編碼量子信息的自旋能級(jí)，故0值得以保留，這就好比貓丟了一條命但依然沒死?！边@種情況可一直持續(xù)到抵達(dá)第八個(gè)能級(jí)，至此，0被翻轉(zhuǎn)為1，真正的錯(cuò)誤出現(xiàn)，貓失去全部性命而亡?！?/p>

莫雷洛表示，這種在量子比特的取值翻轉(zhuǎn)前容忍錯(cuò)誤的技術(shù)為量子計(jì)算提供了新方法。信息仍以0和1的形式編碼，但即便出現(xiàn)錯(cuò)誤，信息也不會(huì)被搞亂。

實(shí)驗(yàn)裝置由一塊帶有對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記硅片構(gòu)成。芯片上涂有一層保護(hù)性聚合物樹脂作為抗蝕劑，用以阻擋離子注入，只留一處微小的裸露窗口。研究人員將芯片置入離子注入機(jī)，然后用銻原子轟擊，直到銻原子穿過裸露區(qū)域并嵌入硅中。

銻礦

莫雷洛說道：“這是用于所有半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)摻雜方式。而我們將此過程推進(jìn)至單原子水平?！贝祟悊卧訐诫s技術(shù)足夠滿足科研目的，不過若要向?qū)嵱玫牧孔佑?jì)算邁進(jìn)，規(guī)?；乔疤帷?dāng)然，這也可行。

莫雷洛團(tuán)隊(duì)此前與墨爾本大學(xué)的合作者設(shè)計(jì)并展示了幾種將銻原子陣列嵌入硅的規(guī)模化方法。相關(guān)成果于2024年8月發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)雜志上。

嵌入單個(gè)銻原子后，工程師們?nèi)コ刮g劑，并使用對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記作為參照，在銻原子上方制作了一個(gè)晶體管和一個(gè)微型天線。通過天線將射頻和微波信號(hào)傳送給原子，可以改變和控制其量子態(tài)。晶體管的設(shè)計(jì)則令其可隨銻原子的量子態(tài)變化而打開和關(guān)閉，這有助于研究者觀察變化。

莫雷洛之所以選擇硅作為芯片材料，不僅是因?yàn)楣枋前雽?dǎo)體行業(yè)的“棟梁之材”，更因?yàn)樗芡ㄟ^特定處理去除掉——幾乎所有可能因磁性產(chǎn)生有害量子干擾的原子。

莫雷洛指出：“這意味著，我們給銻原子創(chuàng)造了非常安靜的工作環(huán)境。我們能以高保真度控制其量子態(tài)?！?/p>

展望未來，當(dāng)需要更多銻原子來構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)時(shí)，我們或可將原子嵌入硅基體，以使其能夠相互作用，同時(shí)又可通過芯片上部的電極層進(jìn)行控制。“這就是我們執(zhí)行邏輯運(yùn)算的方式?！蹦茁逭f道。

下一步工作，也是邁向成功的最關(guān)鍵一步，是檢測錯(cuò)誤與糾正錯(cuò)誤——實(shí)現(xiàn)方式則是測量這些錯(cuò)誤在銻原子中間量子自旋能級(jí)中的位置。用莫雷洛話說，如果做到，那將是“量子計(jì)算的圣杯”。

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