在发表于《科学进步》（ScienceAdvances）杂志上的一项新研究中，普林斯顿大学物理学家为硅基技术在量子计算中的应用铺平了道路，尤其是作为量子计算机基本单元的量子比特。这项研究有望加速硅技术的使用，使其成为其他量子计算技术（如超导体或囚禁离子）的可行替代品。
物理学家们使用了一个两量子位的硅量子器件来实现前所未有的保真度——99%以上，这是迄今为止在半导体中实现的两个量子比特门的最高保真度，并且与竞争技术所达到的最佳结果一致。保真度是量度量子比特执行无错误操作的能力，是开发实用高效量子计算的关键特征。
世界各地的研究人员正试图找出哪些技术，例如超导量子位、囚禁离子或硅自旋量子位，最适合用作量子计算的基本单元。普林斯顿大学物理系研究生亚当·米尔斯（AdamMills）说：“硅自旋量子位正在获得动力，今年对硅业来说似乎是一个重要的一年。”
通过使用一种叫作双量子点的硅器件，普林斯顿大学的研究人员能够捕获两个电子并迫使它们相互作用。每个电子的自旋态可以用作量子位，电子之间的相互作用可以使这些量子位纠缠。这种操作对量子计算至关重要，由普林斯顿大学物理学教授杰森·佩塔（JasonPetta）领导的研究团队能够以超过99.8%的保真度水平执行这种纠缠操作。
最简单地说，量子比特是计算机比特的量子版本，是计算机中最小的数据单元。和经典的比特一样，量子比特的编码信息可以是1或0。但与比特不同的是，量子比特能够利用量子力学的概念，从而完成经典比特无法完成的任务。
米尔斯说：“在量子位中，你可以对0和1进行编码，但你也可以对这些0和1进行叠加。”这意味着每个量子位可以同时是0和1，这个被称为叠加的概念，是量子力学的一个基本性质，它允许量子比特进行令人惊叹的、超凡脱俗的操作。在实践中，它使量子计算机比传统计算机具有更大的优势，例如，在分解非常大的数或分离问题的最佳解决方案方面。
自旋量子位中的“自旋”是电子的角动量。它是一种量子特性，表现为一个微小的磁偶极子，可以用来编码信息。经典的模拟是指南针，它有北极和南极，并旋转以与地球磁场对齐。量子力学上，电子的自旋可以与实验室中产生的磁场对齐（自旋上升），或者与磁场反平行（自旋下降），或者处于自旋上升和自旋下降的量子叠加状态。自旋是硅基量子器件中电子的特性；相比之下，传统的计算机是通过操纵电子的负电荷来工作的。
米尔斯断言，总的来说，硅自旋量子比特比其他类型的量子比特有优势。“我们的想法是，每个系统都必须扩展到许多量子位。目前，其他量子比特系统在可扩展性方面存在实际的物理限制。这些系统的大小可能是一个真正的问题，你只能把这些东西塞进这么多空间。”相比之下，硅自旋量子位是由单个电子制成的，而且非常小。
佩塔说：“我们的设备只有大约纳米宽，而传统的超导量子比特更像是微米宽，所以如果你想在一个芯片上制造很多量子比特，使用超导方法将很困难。“
硅自旋量子比特的另一个优点是，当今的传统电子技术都是基于硅技术的。如果你真的想制造万或0万个量子位，而这些量子位是做一些实用的事情所必需的，那么这只会发生在一个固态系统中，这个系统可以使用标准的半导体制造行业进行扩展。
不过，像其他类型的量子比特一样，高保真地操作自旋量子比特对研究人员来说是一个挑战。佩塔说：”自旋量子比特技术的瓶颈之一是，直到最近，双量子比特门的保真度还没有那么高。在大多数实验中，这一比例远远低于90%。”
但佩塔、米尔斯和研究团队认为这是一个可以突破的挑战。为了进行实验，研究人员首先必须捕获一个电子，这是一项不小的任务。佩塔说：“我们捕获了一个电子，一个非常小的粒子，我们需要把它带到一个特定的空间区域，然后让它跳舞。”
为此，米尔斯、佩塔和他们的同事需要建造一个“笼子”这是一种主要由硅制成的薄片半导体。在顶部，研究小组设计了小电极，产生静电势，用来束缚电子。其中两个笼子放在一起，由一个势垒或栅极隔开，构成了双量子点。佩塔说：“我们有两个相邻的旋转点。通过调整这些栅极上的电压，我们可以瞬间将电子推到一起，使它们相互作用。这被称为双量子位栅极。”
这种相互作用使每个自旋量子位根据其相邻自旋量子位的状态演化，从而导致量子系统中的纠缠。研究人员能够以超过99%的保真度进行这种双量子比特的相互作用。到目前为止，这是迄今为止在自旋量子位中实现的两量子位门的最高保真度。
佩塔说，这项实验的结果使硅自旋量子比特技术与其他主要竞争技术取得的最佳结果处于同等地位。“这项技术正处于一个强劲增长的斜坡上，”他说，“我认为它超越超导系统只是时间问题。”
“这篇论文的另一个重要方面，”佩塔补充道，“这不仅是一个高保真双量子比特门的演示，而且这个设备可以做到这一切。这是第一个半导体自旋量子比特系统的演示，我们集成了整个系统的性能——状态准备、读出、单量子比特控制、双量子比特控制——所有这些性能指标都超过了制造更大量子比特所需的阈值-规模系统工作。”