研究探索自旋量子比特处理器中错误的物理起源

为了实现卓越的性能，基于多个量子比特的量子计算系统必须在其底层量子比特之间实现高保真度纠缠。过去的研究表明，固态量子平台(基于固体材料的量子计算系统)极易出错，这会对量子比特之间的一致性及其整体性能产生不利影响。

悉尼量子硬件技术公司Diraq和新南威尔士大学的研究人员最近着手研究由硅量子点中的高保真双量子比特门组成的自旋量子比特处理器中出现的错误。

他们的研究成果发表在《自然物理学》杂志上，为扩大硅自旋量子比特的可能性和挑战提供了新的见解。

论文共同作者AndrewDzurak和TuomoTanttu向Phys.org表示：“得益于半导体硅芯片的出现，21世纪已经围绕计算机化而发展。”

“不起眼的硅芯片对于我们日常生活的数字化和互联互通至关重要——从我们使用的手机、我们依赖的计算机，到我们操作的用于获取信息、共享数据的系统，以及有效地管理互联互通的现代繁荣经济所需的基础设施和决策工具。

“这种需求支撑了互补金属氧化物半导体(CMOS)制造业的增长。”

近年来，一些工程师和量子物理学家一直在探索利用成熟的硅基晶体管开发量子技术的可能性。这是因为制造这些晶体管的工艺非常成熟且受到严格控制。

Diraq首席执行官兼创始人Dzurak表示：“最先进的制造工艺是Diraq打造全球首台基于硅量子点的容错量子计算机的愿景的核心。我们的基础IP是与CMOS代工厂制造兼容的硅自旋量子比特的设计和操作。”

Dzurak、Tanttu和他们在Diraq的同事一直在探索如何利用制造硅晶体管的光刻技术来制造量子技术。研究人员最近一直在专门探索在半导体自旋载体中编码量子比特的先进技术的潜力，这些技术可以大规模制造和集成。

“量子计算需要许多能够相干控制并相互耦合的量子比特，”Dzurak说道。“我们给自己设定了一个挑战，即了解是否有可能在用于硅晶体管的同一硅平台上在量子比特之间执行高保真度(99%以上)纠缠门。这项研究还扩展到了解哪些噪声源会降低纠缠门的保真度。”

通过探索硅基量子处理器中错误的物理来源，Dzurak、Tanttu及其同事计划为基于广泛可用材料的量子计算机的开发做出贡献。作为研究的一部分，他们使用了三种关键诊断技术来对硅基自旋量子比特设备中的量子态和逻辑门进行基准测试和特性分析。

“我们希望采用一种全面的方法，因此我们选择了三种不同的稳健技术来支持我们对持续性能的控制和测量的研究，”Tanttu解释道。“我们使用的三种测量技术是交错随机基准测试(IRB)、门控层析成像(GST)和快速贝叶斯层析成像(FBT)。

研究人员采用的所有技术都需要在量子处理器中运行一组特定的逻辑电路。通过将这些技术应用于处理器，他们收集了处理器运行背后的物理信息，从而收集了产生的任何错误。

“这些诊断工具对于量子设备的开发至关重要，因为它们对于提高系统可靠性和量子逻辑操作(也称为逻辑门)至关重要，”Tanttu说。

“例如，对于GST，研究结果告诉我们如何预防错误，而不是纠正错误。两种断层扫描方法都产生了噪声通道的详细图像。相比之下，更传统的IRB方法只产生了一个保真度数字，没有额外的物理信息。”

Dzurak、Tanttu和同事还发现了一种很有前途的方法，可以从使用IRB连接的数据中提取丰富的信息。具体来说，他们通过对完全相同的数据集运行FBT分析来重新分析IRB数据。

“这提供了有关噪声通道及其随时间演变的信息，”Tanttu解释道。“总之，这些不同技术的结合使我们能够构建更完整的系统物理图景，并使我们能够更好地对量子比特的性能进行基准测试。”

该研究团队进行的测试得出了两个重要发现。首先，他们证明了其平台中的纠缠门可以实现99%以上的高操作保真度。

其次，他们能够识别纠缠门中的噪声源。这反过来又使他们能够设计出提高门保真度的策略。

“我们的研究结果确实表明，使用硅晶体管技术作为制造未来实用级量子计算机的核心构件是可行的，”Dzurak说道。“实际上，这也意味着我们可以更加专注于扩大平台规模。”

Diraq团队目前正在进一步改进和测试他们的自旋量子比特处理器。例如，他们计划在大学实验室设备之外使用半导体工厂制造的自旋处理器重复他们的实验。

Dzurak补充道：“此外，我们认为，探索是否可以利用对潜在错误的理解来通过增强材料或不同的控制方法进一步提高操作的保真度，具有很大的价值。”

“由于我们的操作保真度与其他固态平台紧密结合，我们现在期待的是进一步的进步，特别是通过增加单个芯片中的量子比特数量。”