科学家成功地重复测量了硅量子点（QD）中一个电子的自旋，而不会在这个过程中改变它的自旋，而这种类型的“非破坏”测量对于创造容错的量子计算机非常重要。量子计算机将使执行某些类别的计算变得更容易，例如多体问题，这对传统计算机来说是极其困难和耗时的。从本质上讲，这涉及到测量量子值，它永远不会像传统晶体管那样处于单一状态，而是以“叠加态”的形式存在。
就像薛定谔猫在被观察到之前不能说它是活的或还是死的一样。使用这样的系统，可以用两个值叠加的量子比特进行计算，然后从统计上确定正确的结果。在硅量子点中使用单电子自旋的量子计算机被认为是很有潜力的，因为它们具有潜在的可扩展性，而且硅已经在电子技术中得到了广泛应用。然而，开发量子计算机的关键困难是它们对外部噪音非常敏感，这使得纠错至关重要。
（上图所示）装置的示意图，量子位自旋(蓝色)和Ancilla自旋(红色)驻留在硅量子阱层中的两个单独占据的点中，近端的单电子晶体管用作电荷传感器，比例尺：2 0 0 nm。
到目前为止，研究人员已经成功地在硅量子点中开发出了单电子自旋，具有长信息保留时间和高精度的量子操作，但量子非破坏测量（有效纠错的关键）被证明是难以捉摸的。读出硅中单电子自旋的传统方法是将自旋转换成可快速检测的电荷，但不幸的是，电子自旋受到测量过程的影响。现在，在发表在《自然通讯》期刊上的研究中，理研团队已经实现了这种“非破坏”测量。
让该小组取得进展的关键洞察是使用了伊辛型相互作用模型，这是一种铁磁性模型，铁磁性模型着眼于相邻原子的电子自旋是如何排列的，从而导致整个晶格中铁磁性的形成。本质上，研究人员能够利用磁场中的伊辛型相互作用将量子点中一个电子的自旋信息向上或向下转移到邻近量子点中的另一个电子，然后可以使用传统方法测量邻居的自旋，这样就可以不受原始自旋的影响。
并可以对邻居量子点的电子进行重复和快速的测量，研究小组的组长Seigo Tarucha说：通过这个方法，可以达到99%的“非破坏”保真率，通过重复测量可以达到95%的读数准确率，理论上可以提高到99.6%，并计划继续努力达到这个水平。这非常令人兴奋，因为如果能将该研究与目前正在开发的高保真单量子位门和双量子位门相结合，就有可能利用硅量子点平台建立各种容错的量子信息处理系统。
博科园｜研究/来自：日本理化学研究所
参考期刊《自然通讯》
DOI: 10.1038/s41467-020-14818-8
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