中國研究人員成功展示了一款能夠執(zhí)行全套錯(cuò)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?jì)算邁出關(guān)鍵一步。來自深圳國際量子研究院的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的器件可在處理量子信息的同時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測，此類功能此前已在超導(dǎo)電路等平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，但在硅基領(lǐng)域尚屬首次。

量子系統(tǒng)對(duì)噪聲極為敏感，噪聲會(huì)引發(fā)擾亂計(jì)算過程的錯(cuò)誤。解決方案之一是將信息編碼為可檢測并處理此類錯(cuò)誤的邏輯量子比特。研究人員表示，其研究表明容錯(cuò)量子計(jì)算的關(guān)鍵構(gòu)建模塊現(xiàn)已可在硅材料中實(shí)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(jí)精度嵌入硅材料中制成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子比特的單獨(dú)操控。團(tuán)隊(duì)還開發(fā)出減少信號(hào)干擾的方法，信號(hào)干擾正是量子系統(tǒng)的主要錯(cuò)誤來源。

研究人員利用四個(gè)量子比特編碼出兩個(gè)可在計(jì)算過程中檢測錯(cuò)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(jì)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(cuò)誤校驗(yàn)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(duì)運(yùn)行了量子算法來計(jì)算水分子的最低能量狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果與理論值高度吻合，證明該系統(tǒng)能處理實(shí)際任務(wù)。

運(yùn)行真實(shí)算法

研究人員采用變分量子特征值求解器對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)內(nèi)置錯(cuò)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(jì)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(duì)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(hào)干擾，以及增加單芯片上的量子比特?cái)?shù)量。

長期目標(biāo)則是構(gòu)建能在保持錯(cuò)誤控制的同時(shí)執(zhí)行更復(fù)雜計(jì)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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