日本理化學(xué)研究所（理研）宣布，利用由廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的天然硅制成的半導(dǎo)體納米設(shè)備，實現(xiàn)了具有量子計算所必需的高精度的“量子比特”(qubit)。由于可以使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體集成化技術(shù)安裝量子比特元件，因此，這次的成果將是實現(xiàn)大規(guī)模量子計算機(jī)的重要一步。

　　本次研究中使用的樣本的電子顯微鏡照片

　　背景的黑色為硅基板表面，9條棕色布線表示形成量子點使用的金屬柵電極。另外，中心的2個淺藍(lán)色小圓點是形成量子點的位置，左側(cè)的大圓點代表電荷儀（照片摘自理研的發(fā)布資料） （點擊放大）

　　拉比振蕩測定方法的模式圖（A）與測定結(jié)果（B）

　　通過重復(fù)1000次單次讀取，計算測定向上自旋的概率。觀測到了接近理想的量子比特行為的正弦振動圖案（拉比振蕩）（圖片摘自理研的發(fā)布資料） （點擊放大）

　　與只有0和1兩種狀態(tài)的傳統(tǒng)計算機(jī)的比特不同，量子比特是0和1的“疊加態(tài)”。此前在少量量子比特的原理驗證方面已進(jìn)行了各種實驗，包括光學(xué)元件、離子阱、超導(dǎo)電路、金剛石晶體中NV中心（氮-空位復(fù)合缺陷中心）、經(jīng)過同位素控制的硅等多種體系。

　　另一方面，使用天然硅的半導(dǎo)體元件作為當(dāng)今電子學(xué)的基礎(chǔ)，已經(jīng)確立起了加工和集成化技術(shù)。為了實現(xiàn)量子計算機(jī)，必須大幅增加量子比特的數(shù)量，因此，通過使用天然硅，利用已經(jīng)確立的半導(dǎo)體集成化技術(shù)來安裝大量的量子比特元件的方法備受期待。其中存在的課題是，在作為母材的硅中，核自旋會成為擾亂量子比特狀態(tài)的“噪聲源”。

　　研究人員這次利用表面柵電極，封閉天然硅Si/SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)基板中的二維電子氣，制作出了含有2個電子的量子點。在量子點的正上方，隔著絕緣膜（Al2O3）配置了微型磁鐵，這是用來形成傾斜磁場（隨位置變化的磁場）以操作量子比特的。

　　在量子點的柵電極（C柵極）外加微波電壓（VC）后，微波（波長1mm～100μm左右的電磁波）會使封閉在量子點中的電子的位置發(fā)生改變。這種位置的改變會在微型磁鐵的傾斜磁場的作用下，轉(zhuǎn)化成實際的磁場調(diào)制，能夠引發(fā)相當(dāng)于單一量子比特操作的電子自旋共振（電子自旋方向的變化）。

　　向量子點的柵電極加載頻率滿足電子自旋共振條件的微波電壓時，自旋狀態(tài)隨著時間推移，呈現(xiàn)出了接近理想行為的正弦振動圖案（拉比振蕩）。此時的量子比特操作速度約為0.05微秒，比之前的研究結(jié)果快100倍。在拉比振蕩的衰減時間內(nèi)可以進(jìn)行100次以上的量子比特操作，能在受到噪聲影響之前完成量子比特操作。

　　另外，利用隨機(jī)驗證法測定衡量量子比特操作與理想操作近似程度的性能指數(shù)——保真度，得到的平均數(shù)值為99.6％，對于全部的單一量子比特操作，保真度均在99％以上。在使用天然硅中電子的量子比特元件中達(dá)到了最高數(shù)值。