科學(xué)家成功地重復(fù)測(cè)量了硅量子點(diǎn)（QD）中一個(gè)電子的自旋，而不會(huì)在這個(gè)過程中改變它的自旋，而這種類型的“非破壞”測(cè)量對(duì)于創(chuàng)造容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)非常重要。

量子計(jì)算機(jī)將使執(zhí)行某些類別的計(jì)算變得更容易，例如多體問題，這對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說是極其困難和耗時(shí)的。從本質(zhì)上講，這涉及到測(cè)量量子值，它永遠(yuǎn)不會(huì)像傳統(tǒng)晶體管那樣處于單一狀態(tài)，而是以“疊加態(tài)”的形式存在。

就像薛定諤貓?jiān)诒挥^察到之前不能說它是活的或還是死的一樣。使用這樣的系統(tǒng)，可以用兩個(gè)值疊加的量子比特進(jìn)行計(jì)算，然后從統(tǒng)計(jì)上確定正確的結(jié)果。在硅量子點(diǎn)中使用單電子自旋的量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為是很有潛力的，因?yàn)樗鼈兙哂袧撛诘目蓴U(kuò)展性，而且硅已經(jīng)在電子技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵困難是它們對(duì)外部噪音非常敏感，這使得糾錯(cuò)至關(guān)重要。

到目前為止，研究人員已經(jīng)成功地在硅量子點(diǎn)中開發(fā)出了單電子自旋，具有長(zhǎng)信息保留時(shí)間和高精度的量子操作，但量子非破壞測(cè)量（有效糾錯(cuò)的關(guān)鍵）被證明是難以捉摸的。讀出硅中單電子自旋的傳統(tǒng)方法是將自旋轉(zhuǎn)換成可快速檢測(cè)的電荷，但不幸的是，電子自旋受到測(cè)量過程的影響?，F(xiàn)在，在發(fā)表在《自然通訊》期刊上的研究中，理研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種“非破壞”測(cè)量。

讓該小組取得進(jìn)展的關(guān)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，鐵磁性模型著眼于相鄰原子的電子自旋是如何排列的，從而導(dǎo)致整個(gè)晶格中鐵磁性的形成。本質(zhì)上，研究人員能夠利用磁場(chǎng)中的伊辛型相互作用將量子點(diǎn)中一個(gè)電子的自旋信息向上或向下轉(zhuǎn)移到鄰近量子點(diǎn)中的另一個(gè)電子，然后可以使用傳統(tǒng)方法測(cè)量鄰居的自旋，這樣就可以不受原始自旋的影響。

并可以對(duì)鄰居量子點(diǎn)的電子進(jìn)行重復(fù)和快速的測(cè)量，研究小組的組長(zhǎng)Seigo Tarucha說：通過這個(gè)方法，可以達(dá)到99%的“非破壞”保真率，通過重復(fù)測(cè)量可以達(dá)到95%的讀數(shù)準(zhǔn)確率，理論上可以提高到99.6%，并計(jì)劃繼續(xù)努力達(dá)到這個(gè)水平。這非常令人興奮，因?yàn)槿绻軐⒃撗芯颗c目前正在開發(fā)的高保真單量子位門和雙量子位門相結(jié)合，就有可能利用硅量子點(diǎn)平臺(tái)建立各種容錯(cuò)的量子信息處理系統(tǒng)。

博科園｜研究/來自：日本理化學(xué)研究所

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-14818-8

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