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目前阻礙大規模量子計算發展的主要挑戰，是難以檢測和糾正在操作過程中因噪聲、有缺陷的控制信號以及其他干擾源導致的錯誤。當有錯誤發生時，對此敏感的量子比特的取值可能從1翻轉為0或從0翻轉為1。更多這樣的量子比特翻轉意味著錯誤累積，最終結果則是計算錯誤。

眼下，澳大利亞新南威爾士大學和墨爾本大學的量子工程師設計出一種編碼量子信息的方法，此方法可以減小錯誤積累的影響，并于錯誤發生時標記、糾正它們。新成果發表于今年1月的《自然-物理》 (Nature Physics) 雜志。

研究小組將一個銻原子嵌入硅器件內，以創建一個量子比特。標準量子比特有兩種自旋狀態(這是粒子的固有屬性，可類比為微型旋轉磁體)，但質量較大的銻原子有8種可能的核自旋態。這使得研究者可將銻原子自旋序列兩端的狀態分別編碼為0和1，另外6種中間的狀態作為輔助態。

科學家創造了一種“七命貓”式、更能容錯的新型量子比特

擁有多重輔助狀態具備怎樣的優勢？項目團隊負責人、量子工程學教授安德里亞·莫雷洛(Andrea Morello)引用“貓有九條命”的古老傳說來作解釋。

“銻原子有8個量子能級，從第一能級到最后一個能級，需經7步，這就像1只擁有7條性命的貓。出現錯誤時，它會將量子比特的0提升一個不用于編碼量子信息的自旋能級，故0值得以保留，這就好比貓丟了一條命但依然沒死。”這種情況可一直持續到抵達第八個能級，至此，0被翻轉為1，真正的錯誤出現，貓失去全部性命而亡。”

莫雷洛表示，這種在量子比特的取值翻轉前容忍錯誤的技術為量子計算提供了新方法。信息仍以0和1的形式編碼，但即便出現錯誤，信息也不會被搞亂。

實驗裝置由一塊帶有對準標記硅片構成。芯片上涂有一層保護性聚合物樹脂作為抗蝕劑，用以阻擋離子注入，只留一處微小的裸露窗口。研究人員將芯片置入離子注入機，然后用銻原子轟擊，直到銻原子穿過裸露區域并嵌入硅中。

銻礦

莫雷洛說道：“這是用于所有半導體的標準摻雜方式。而我們將此過程推進至單原子水平。”此類單原子摻雜技術足夠滿足科研目的，不過若要向實用的量子計算邁進，規模化是前提——當然，這也可行。

莫雷洛團隊此前與墨爾本大學的合作者設計并展示了幾種將銻原子陣列嵌入硅的規模化方法。相關成果于2024年8月發表在《先進材料》(Advanced Materials)雜志上。

嵌入單個銻原子后，工程師們去除抗蝕劑，并使用對準標記作為參照，在銻原子上方制作了一個晶體管和一個微型天線。通過天線將射頻和微波信號傳送給原子，可以改變和控制其量子態。晶體管的設計則令其可隨銻原子的量子態變化而打開和關閉，這有助于研究者觀察變化。

莫雷洛之所以選擇硅作為芯片材料，不僅是因為硅是半導體行業的“棟梁之材”，更因為它能通過特定處理去除掉——幾乎所有可能因磁性產生有害量子干擾的原子。

莫雷洛指出：“這意味著，我們給銻原子創造了非常安靜的工作環境。我們能以高保真度控制其量子態。”

展望未來，當需要更多銻原子來構建量子計算機時，我們或可將原子嵌入硅基體，以使其能夠相互作用，同時又可通過芯片上部的電極層進行控制。“這就是我們執行邏輯運算的方式。”莫雷洛說道。

下一步工作，也是邁向成功的最關鍵一步，是檢測錯誤與糾正錯誤——實現方式則是測量這些錯誤在銻原子中間量子自旋能級中的位置。用莫雷洛話說，如果做到，那將是“量子計算的圣杯”。

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