中国研究人员成功展示了一款能够执行全套错误检测逻辑运算的硅基量子处理器，标志着向实用化量子计算迈出关键一步。来自深圳国际量子研究院的团队构建的器件可在处理量子信息的同时进行错误检测，此类功能此前已在超导电路等平台实现，但在硅基领域尚属首次。
量子系统对噪声极为敏感，噪声会引发扰乱计算过程的错误。解决方案之一是将信息编码为可检测并处理此类错误的逻辑量子比特。研究人员表示，其研究表明容错量子计算的关键构建模块现已可在硅材料中实现——这种材料在当代电子工业中应用广泛。
从量子比特到逻辑运算
该处理器通过将磷原子以原子级精度嵌入硅材料中制成，实现了对量子比特的单独操控。团队还开发出减少信号干扰的方法，信号干扰正是量子系统的主要错误来源。
研究人员利用四个量子比特编码出两个可在计算过程中检测错误的逻辑量子比特。该方案使系统能够标记出可能影响计算结果的非必要噪声。
研究展示了完整的操作链条，包括制备错误校验态、执行逻辑运算，并将其应用于算法之中。
为测试系统，团队运行了量子算法来计算水分子的最低能量状态。计算结果与理论值高度吻合，证明该系统能处理实际任务。
运行真实算法
研究人员采用变分量子特征值求解器对水分子进行模拟，所得结果与预期值的偏差微小。这表明该方案未来有望支撑现实世界的量子应用。
该研究还表明，硅基系统可突破仅控制少量量子比特的局限，实现内置错误检测的协同操作。
硅材料因在半导体制造领域的广泛应用，始终是扩展量子计算机规模的有力候选者，这有助于未来更高效地生产量子系统。
团队表示，下一步工作包括提升原子定位精度、进一步降低信号干扰，以及增加单芯片上的量子比特数量。
长期目标则是构建能在保持错误控制的同时执行更复杂计算的大型系统。
该研究成果发表于《自然·纳米技术》。
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