利用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造技術(shù)，為量子比特集成化開辟道路

　　日本理化學(xué)研究所(理研)2016年8月22日宣布，利用由廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的天然硅制成的半導(dǎo)體納米設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了具有量子計(jì)算所必需的高精度的“量子比特”(qubit)。由于可以使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體集成化技術(shù)安裝量子比特元件，因此，這次的成果將是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的重要一步。

　　本次研究中使用的樣本的電子顯微鏡照片

　　背景的黑色為硅基板表面，9條棕色布線表示形成量子點(diǎn)使用的金屬柵電極。另外，中心的2個(gè)淺藍(lán)色小圓點(diǎn)是形成量子點(diǎn)的位置，左側(cè)的大圓點(diǎn)代表電荷儀(照片摘自理研的發(fā)布資料) (點(diǎn)擊放大)

　　拉比振蕩測(cè)定方法的模式圖(A)與測(cè)定結(jié)果(B)

　　通過重復(fù)1000次單次讀取，計(jì)算測(cè)定向上自旋的概率。觀測(cè)到了接近理想的量子比特行為的正弦振動(dòng)圖案(拉比振蕩)(圖片摘自理研的發(fā)布資料) (點(diǎn)擊放大)

　　與只有0和1兩種狀態(tài)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特不同，量子比特是0和1的“疊加態(tài)”。此前在少量量子比特的原理驗(yàn)證方面已進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，包括光學(xué)元件、離子阱、超導(dǎo)電路、金剛石晶體中NV中心(氮-空位復(fù)合缺陷中心)、經(jīng)過同位素控制的硅等多種體系。

　　另一方面，使用天然硅的半導(dǎo)體元件作為當(dāng)今電子學(xué)的基礎(chǔ)，已經(jīng)確立起了加工和集成化技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)，必須大幅增加量子比特的數(shù)量，因此，通過使用天然硅，利用已經(jīng)確立的半導(dǎo)體集成化技術(shù)來安裝大量的量子比特元件的方法備受期待。其中存在的課題是，在作為母材的硅中，核自旋會(huì)成為擾亂量子比特狀態(tài)的“噪聲源”。

　　研究人員這次利用表面柵電極，封閉天然硅Si/SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)基板中的二維電子氣，制作出了含有2個(gè)電子的量子點(diǎn)。在量子點(diǎn)的正上方，隔著絕緣膜(Al2O3)配置了微型磁鐵，這是用來形成傾斜磁場(chǎng)(隨位置變化的磁場(chǎng))以操作量子比特的。

　　在量子點(diǎn)的柵電極(C柵極)外加微波電壓(VC)后，微波(波長1mm～100μm左右的電磁波)會(huì)使封閉在量子點(diǎn)中的電子的位置發(fā)生改變。這種位置的改變會(huì)在微型磁鐵的傾斜磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)化成實(shí)際的磁場(chǎng)調(diào)制，能夠引發(fā)相當(dāng)于單一量子比特操作的電子自旋共振(電子自旋方向的變化)。

　　向量子點(diǎn)的柵電極加載頻率滿足電子自旋共振條件的微波電壓時(shí)，自旋狀態(tài)隨著時(shí)間推移，呈現(xiàn)出了接近理想行為的正弦振動(dòng)圖案(拉比振蕩)。此時(shí)的量子比特操作速度約為0.05微秒，比之前的研究結(jié)果快100倍。在拉比振蕩的衰減時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行100次以上的量子比特操作，能在受到噪聲影響之前完成量子比特操作。

　　另外，利用隨機(jī)驗(yàn)證法測(cè)定衡量量子比特操作與理想操作近似程度的性能指數(shù)——保真度，得到的平均數(shù)值為99.6%，對(duì)于全部的單一量子比特操作，保真度均在99%以上。在使用天然硅中電子的量子比特元件中達(dá)到了最高數(shù)值。

　　此次的研究成果已于2016年8月12日發(fā)表在美國的網(wǎng)絡(luò)科學(xué)期刊《Science Advances》上。(特約撰稿人：工藤宗介)