悉尼团队创造了世界纪录的量子计算结果

悉尼大学的量子理论小组在本月发表在《自然》杂志上的两篇论文的背后，这些论文正在推动量子计算的发展。

利用悉尼大学纳米研究所和物理学院的量子物理学家的理论工作，已取得了世界纪录的结果，即减少了半导体电子“自旋量子位”(一种量子计算机的构建模块)中的错误。

UNSW工程师的实验结果表明，错误率低至0.043%，低于任何其他电子自旋量子比特。悉尼和新南威尔士大学团队的联合研究论文于本周在《自然电子》上发表，是该杂志4月份的封面故事。

该论文的相应作者斯蒂芬·巴特利特教授(Stephen Bartlett)说：“减少量子计算机中的错误，才可以将它们放大成有用的机器。”

“一旦大规模运行，量子计算机就可以实现解决最大的超级计算机所无法解决的问题的巨大希望。这可以帮助人类解决化学，药物设计和工业领域的问题。”

量子位或量子位的类型很多，从使用俘获离子，超导环或光子的量子位到量子位不等。“自旋量子比特”是一种量子比特，它基于量子对象(例如电子)的量化磁方向对信息进行编码。

澳大利亚，尤其是悉尼，正成为量子技术的全球领导者。在最近的基金公告成立悉尼量子学院，强调在澳大利亚巨大的机会，建立立足于世界上最大的在悉尼量子科研小组的浓度量子经济。

没有理论就没有实践

尽管最近在量子计算上的许多注意力都集中在硬件的进步上，但是如果没有量子信息理论的发展，这些进步就不可能实现。

由斯蒂芬·巴特利特教授和史蒂芬·弗拉米亚教授领导的悉尼大学量子理论小组是量子信息理论的世界强国之一，它允许全球的工程和实验团队做出艰苦的物理努力，以确保量子计算成为一种现实。

悉尼量子理论小组的工作对于发表在《自然电子》上的世界纪录结果至关重要。

Bartlett教授说：“由于错误率太小，因此UNSW团队需要一些相当复杂的方法甚至能够检测到错误。

“由于错误率如此之低，我们需要运行数日之久的数据，才能收集统计数据以显示偶发的错误。”

巴特利特教授说，一旦发现错误，就需要对它们进行表征，消除和重新表征。

他说：“史蒂夫·弗拉米亚(Steve Flammia)的小组在错误表征理论上处于世界领先地位，该理论曾用于实现这一结果。”

Flammia小组最近首次展示了量子计算机的改进，该量子计算机使用了设计为使用IBM Q量子计算机检测和丢弃逻辑门或开关中的错误的代码。

领导UNSW研究团队的Andrew Dzurak教授说：“与Bartlett和Flammia教授以及他们的团队合作非常宝贵，可以帮助我们了解在UNSW的硅CMOS量子位中看到的错误类型。

“我们的首席实验师亨利·杨与他们紧密合作，实现了99.957%的出色保真度，表明我们现在拥有世界上最精确的半导体量子比特。”

巴特利特教授说，杨致远的世界纪录成就将持续很长时间。他说，现在UNSW团队和其他团队将致力于在硅CMOS中构建两个qubit和更高级别的阵列。

功能齐全的量子计算机将需要数百万个(甚至数十亿个)量子位来运行。现在，设计低误差量子位是将器件扩展到此类器件的关键步骤。

Raymond Laflamme教授是加拿大滑铁卢大学量子信息学系主任，但未参与此项研究。他说：“随着量子处理器变得越来越普遍，悉尼大学的Bartlett研究小组开发了一种评估它们的重要工具。它使我们能够表征量子门的精度，并使物理学家能够区分非相干误差和相干误差，从而导致对量子位的空前控制。”

全球影响

悉尼大学与新南威尔士大学的联合研究结果是在同一量子理论小组与哥本哈根的尼尔斯·波尔研究所的实验人员发表论文之后不久得出的。

该结果发表在《自然通讯》上，允许通过介体在电子之间进行远距离信息交换，从而改善了自旋量子位量子计算机中放大结构的前景。

这个结果很重要，因为它允许量子点之间的距离足够大，可以集成到更多传统的微电子器件中。该成就是哥本哈根，悉尼和普渡大学的物理学家的共同努力。

巴特利特教授说：“主要问题是，要使量子点相互作用，就需要将它们离得很近，相距只有几纳米。但是在这个距离上，它们会相互干扰，从而使设备难以调整以进行有用的计算。”

解决的办法是让纠缠的电子通过一个电子“池”来介导它们的信息，使它们进一步分开。

他说：“这有点像坐公共汽车，是一个大的调解人，可以让远距离的旋转相互影响。如果您可以允许更多的自旋相互作用，那么量子体系结构可以转向二维布局。”

哥本哈根尼尔斯玻尔研究所的副教授费迪南德·库梅斯说：“我们发现，在左点和右点之间有一个大而细长的量子点，介导了自旋态的相干交换，在十亿分之一秒之内，没有移动电子从他们的点。

巴特利特教授说：“作为一名理论家，我对这一结果感到兴奋，是它使我们摆脱了仅依赖于它的近邻的量子位的约束几何。”

全球参与办公室

该实验的历史可以追溯到十年前的情报高级研究计划活动(IARPA)计划，该计划由合著者查理·马库斯(Charlie Marcus)教授领导，他在搬到哥本哈根之前曾在哈佛任教。

巴特利特教授说：“我们所有人都去了哥本哈根，于2018年参加了一次研讨会，以部分解决这一问题。该论文的合著者托马斯·埃文斯(Thomas Evans)在全球参与办公室的支持下呆了两个月。OGE还支持正在进行另一个项目的Arne Grimsmo博士。”

他说，当我们获得OGE资助时，实验和我们的讨论已经取得了很大进展。但是正是这个工作坊及其资助使悉尼团队得以前往哥本哈根，根据这一结果计划下一代实验。

巴特利特教授说：“这种方法使我们可以进一步分离量子点，从而使它们更容易分别调谐并使它们协同工作。

“现在有了介体，我们可以开始计划这些量子点对的二维阵列。”

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