利用現有半導體制造技術(shù)，為量子比特集成化開(kāi)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體納米設備，實(shí)現了具有量子計算所必需的高精度的“量子比特”(qubit)。由于可以使用現有的半導體集成化技術(shù)安裝量子比特元件，因此，這次的成果將是實(shí)現大規模量子計算機的重要一步。

　　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(xiàn)表示形成量子點(diǎn)使用的金屬柵電極。另外，中心的2個(gè)淺藍色小圓點(diǎn)是形成量子點(diǎn)的位置，左側的大圓點(diǎn)代表電荷儀(照片摘自理研的發(fā)布資料)

　　拉比振蕩測定方法的模式圖(A)與測定結果(B)

　　通過(guò)重復1000次單次讀取，計算測定向上自旋的概率。觀(guān)測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)

　　與只有0和1兩種狀態(tài)的傳統計算機的比特不同，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證方面已進(jìn)行了各種實(shí)驗，包括光學(xué)元件、離子阱、超導電路、金剛石晶體中NV中心(氮-空位復合缺陷中心)、經(jīng)過(guò)同位素控制的硅等多種體系。

　　另一方面，使用天然硅的半導體元件作為當今電子學(xué)的基礎，已經(jīng)確立起了加工和集成化技術(shù)。為了實(shí)現量子計算機，必須大幅增加量子比特的數量，因此，通過(guò)使用天然硅，利用已經(jīng)確立的半導體集成化技術(shù)來(lái)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)結構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(zhù)絕緣膜(Al2O3)配置了微型磁鐵，這是用來(lái)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(cháng)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，轉化成實(shí)際的磁場(chǎng)調制，能夠引發(fā)相當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(mǎn)足電子自旋共振條件的微波電壓時(shí)，自旋狀態(tài)隨著(zhù)時(shí)間推移，呈現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，比之前的研究結果快100倍。在拉比振蕩的衰減時(shí)間內可以進(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，利用隨機驗證法測定衡量量子比特操作與理想操作近似程度的性能指數——保真度，得到的平均數值為99.6%，對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到了最高數值。

　　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《ScienceAdvances》上。