成功測量：量子點中一個電子的自旋！離量子計算機的實現不遠了

科學家成功地重複測量了硅量子點（QD）中一個電子的自旋，而不會在這個過程中改變它的自旋，而這種類型的“非破壞”測量對於創造容錯的量子計算機非常重要。量子計算機將使執行某些類別的計算變得更容易，例如多體問題，這對傳統計算機來説是極其困難和耗時的。從本質上講，這涉及到測量量子值，它永遠不會像傳統晶體管那樣處於單一狀態，而是以“疊加態”的形式存在。

就像薛定諤貓在被觀察到之前不能説它是活的或還是死的一樣。使用這樣的系統，可以用兩個值疊加的量子比特進行計算，然後從統計上確定正確的結果。在硅量子點中使用單電子自旋的量子計算機被認為是很有潛力的，因為它們具有潛在的可擴展性，而且硅已經在電子技術中得到了廣泛應用。然而，開發量子計算機的關鍵困難是它們對外部噪音非常敏感，這使得糾錯至關重要。

（上圖所示）裝置的示意圖，量子位自旋(藍色)和Ancilla自旋(紅色)駐留在硅量子阱層中的兩個單獨佔據的點中，近端的單電子晶體管用作電荷傳感器，比例尺：2 0 0 nm。

到目前為止，研究人員已經成功地在硅量子點中開發出了單電子自旋，具有長信息保留時間和高精度的量子操作，但量子非破壞測量（有效糾錯的關鍵）被證明是難以捉摸的。讀出硅中單電子自旋的傳統方法是將自旋轉換成可快速檢測的電荷，但不幸的是，電子自旋受到測量過程的影響。現在，在發表在《自然通訊》期刊上的研究中，理研團隊已經實現了這種“非破壞”測量。

讓該小組取得進展的關鍵洞察是使用了伊辛型相互作用模型，這是一種鐵磁性模型，鐵磁性模型着眼於相鄰原子的電子自旋是如何排列的，從而導致整個晶格中鐵磁性的形成。本質上，研究人員能夠利用磁場中的伊辛型相互作用將量子點中一個電子的自旋信息向上或向下轉移到鄰近量子點中的另一個電子，然後可以使用傳統方法測量鄰居的自旋，這樣就可以不受原始自旋的影響。

並可以對鄰居量子點的電子進行重複和快速的測量，研究小組的組長Seigo Tarucha説：通過這個方法，可以達到99%的“非破壞”保真率，通過重複測量可以達到95%的讀數準確率，理論上可以提高到99.6%，並計劃繼續努力達到這個水平。這非常令人興奮，因為如果能將該研究與目前正在開發的高保真單量子位門和雙量子位門相結合，就有可能利用硅量子點平台建立各種容錯的量子信息處理系統。

博科園｜研究/來自：日本理化學研究所

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-14818-8

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