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今天的Nature期刊有些特殊，一共有3篇論文同時登上封面，實屬罕見。

來自澳洲、荷蘭、日本的3個不同團隊，同時實現了硅量子計算的一個重要里程碑——

保真度超過99%。

該結果與谷歌Sycamore量子計算機的2量子比特保真度達到同一水平。

這意味著，近乎無錯誤的硅量子計算是可以實現的。硅量子計算機與谷歌IBM的超導量子計算技術一樣，是實現大型量子計算機的有力候選者。

“當錯誤如此罕見時，就有可能檢測到它們，并在它們發生時進行糾正。這表明有可能建造具有足夠規模和足夠能力的量子計算機，來進行有意義的計算。”

3篇論文之一的通訊作者新南威爾士大學（UNSW）的Andrea Morello教授說。

△ Andrea Morello教授

而且UNSW團隊多年前已取得了另一項超過谷歌的成就：在硅量子系統中將信息保存了35秒。

這一時長是谷歌和IBM量子計算機的100萬倍，而后兩者的超導量子計算機僅能將信息保存100微秒。

這3項研究在開發半導體量子計算機的路上邁出了極其重要的一步。他們證明了魯棒的、可靠的量子計算機正在成為現實。

他們是如何做到的

以USNW團隊的研究為例，為了保證量子系統的保真度，他們需要解決一個矛盾的問題：

那就是既要讓量子比特盡可能“與世隔絕”，以長時間正確保存信息，還要使量子比特與外界相互作用，來執行對量子計算的操控。

原子核自旋能夠相當好地與外界環境隔離，之前量子信息保存35秒就是在核自旋系統中實現的。

為何讓核自旋與外界相互作用，研究團隊在兩個磷原子核之間引入了一個電子。當兩個核關聯到一個電子時，就可以通過共有的電子進行交互。

△ 紅色點表示磷原子核，外側閃亮的橢圓代表電子

論文作者之一Serwan Asaad博士說：

如果您將核自旋與電子糾纏在一起，那么電子可以移動到另一個地方，并與更遠地方的其他量子比特核糾纏在一起，從而開辟能夠大量進行魯棒和實用量子計算的道路。

而在硅材料中摻雜磷原子是半導體行業的基本操作（用于制造n型半導體），所以這項技術能與現在的計算機技術兼容。

最后，他們使用門集斷層掃描（GST）技術精確地描述了量子操作，得出1量子比特的平均門保真度為99.95%，2量子比特平均門保真度為99.37%，2量子比特制備/測量保真度高達98.95%。

這三個指標表明，硅原子核自旋正在接近容錯量子處理器所需的性能要求。

現在所有經典計算機都有某種形式的誤差校正和數據冗余，但量子物理定律對量子計算機中的校正方式構成了嚴重限制。

論文通訊作者Morello說：

通常需要低于1%的錯誤率，才能應用量子糾錯協議。現在已經實現這一目標，我們可以開始設計硅量子處理器，這些處理器可以可靠地擴展和運行，來進行有用的計算。

團隊合作帶來3篇論文

今天Nature封面的3篇論文分別實現了以下成果：

1、澳大利亞新南威爾士大學團隊通過離子注入硅，在電子和兩個磷原子組成的三量子比特系統上實現了1量子比特99.95%和2量子比特99.37%的保真度。

2、荷蘭代爾夫特理工大學團隊使用硅/硅鍺合金量子點的電子自旋，實現了1量子比特99.87%和2量子比特99.65%的保真度。

3、日本RIKEN團隊同樣在使用硅/硅鍺合金量子點的雙電子系統，實現了1量子比特99.84%和2量子比特99.51%的保真度。

雖然各團隊分別獨立發表了實驗結果，但是離不開他們之間廣泛的學術交流，包括實驗技術、材料、人員的相互流通。

△ UNSW團隊，從左至右分別為Asaad Serwan博士、 Andrea Morello教授和Mateusz Madzik博士

• UNSW論文的一作Mateusz M?dzik博士，現在是代爾夫特團隊的博士后；另一位Serwan Asaad博士原來是代爾夫特理工大學的學生。
• 代爾夫特團隊負責人Lieven Vandersypen曾2016年在UNSW進行了為期五個月學術休假訪問。
• RIKEN團隊負責人Giordano Scappucci博士是UNSW的前研究員。

此外還有：

• 代爾夫特理工大學和RIKEN組使用的硅/硅鍺合金量子點都是由前者制作，并在兩組之間共享。
• UNSW團隊使用的同位素純化硅材料，則由日本慶應大學的Kohei Itoh教授提供。
• 論文中關鍵的門集斷層掃描（GST）方法，是由美國Sandia國家實驗室開發并公開提供。