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我國科學家在硅基量子計算芯片上實現(xiàn)量子錯誤探測
2026年01月27日 14:01:16
來源：化工儀器網 作者：楊 點擊量：2959
團隊利用掃描隧道顯微鏡(STM)這一納米加工利器，在硅表面實現(xiàn)了氫原子脫附的原子級精確定位，從而“搭建”出高度均勻、結構精準的量子點陣列，作為自旋量子比特的載體。
近日，深圳國際量子研究院俞大鵬、賀煜團隊宣布在硅基量子計算芯片上首次成功演示了與容錯量子計算架構兼容的基于穩(wěn)定子的量子錯誤探測技術，并首次直接揭示了硅基自旋量子比特系統(tǒng)中獨特的強偏置噪聲特性。
量子計算之所以擁有超越經典計算的巨大潛力，源于量子比特(qubit)的疊加與糾纏特性。然而，量子態(tài)極其脆弱，極易受到環(huán)境噪聲干擾而導致計算錯誤。因此，量子糾錯是構建大規(guī)模、可實用量子計算機不可或缺的基石。而量子錯誤探測，正是糾錯的第一步，其作用類似于為計算過程安裝“監(jiān)控系統(tǒng)”，在不直接測量并破壞計算數(shù)據(jù)本身的前提下，實時識別錯誤是否發(fā)生以及發(fā)生在何處。
研究團隊采用的“基于穩(wěn)定子的錯誤探測”方法，是國際主流容錯量子計算理論方案中的關鍵技術。它通過測量一組特定的穩(wěn)定子算子(由多個物理量子比特共同編碼一個邏輯量子比特)，來診斷錯誤，為后續(xù)的主動糾錯提供精準信息。實現(xiàn)這一技術，要求對多個量子比特進行高精度、高保真度的協(xié)同操控與測量，技術門檻極高。
選擇硅基半導體材料作為量子比特載體，這與當前成熟的半導體集成電路產業(yè)技術路線兼容，被認為是最具大規(guī)模應用前景的量子計算平臺之一。團隊利用掃描隧道顯微鏡(STM)這一納米加工利器，在硅表面實現(xiàn)了氫原子脫附的原子級精確定位，從而“搭建”出高度均勻、結構精準的量子點陣列，作為自旋量子比特的載體。STM的原子級操控能力是制備高性能硅基量子器件的前提。
掃描隧道顯微鏡利用量子隧穿效應，其超尖銳的金屬探針能在材料表面進行原子級分辨的成像。更重要的是，通過施加精確的電壓脈沖，STM探針可以可控地移除硅表面的氫原子，從而“雕刻”出原子級精度的圖案，用于定義量子點、導線等納米結構。這種“自上而下”的原子制造技術，為構建性能一致、可控性高的硅基量子比特陣列提供了無可替代的終極工具。
在精心制備的硅基多量子比特處理器上，研究團隊成功設計并執(zhí)行了復雜的量子糾錯電路，實現(xiàn)了對邏輯量子比特狀態(tài)的穩(wěn)定子測量，從而演示了量子錯誤的探測功能。這證明了在硅基平臺上構建容錯量子計算架構的可行性。通過錯誤探測過程，研究團隊首次直接觀測到硅基自旋量子比特系統(tǒng)中存在的“強偏置噪聲”。這意味著噪聲并非完全隨機，而是更傾向于引發(fā)特定類型的量子錯誤。這一發(fā)現(xiàn)對于未來設計更高效、針對性的糾錯碼具有至關重要的指導價值。
相關研究成果Quantum error detection in a silicon quantum processor于近日在《自然—電子學》(nature electronics)發(fā)表。
參考來源：中國科學報
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