99.9991%！硅量子比特保真度再创新高

代尔夫特理工大学QuTech、代尔夫特 Kavli 纳米科学研究所、量子与计算机工程系、代尔夫特理工大学微电子系和Element Six的研究人员在量子计算领域取得了重大进展。

他们利用金刚石中一个氮空位色心的电子自旋和核自旋，为一个双量子比特系统设计了一套完整的高保真门。研究小组实现了高达 99.9991% 的单量子比特门保真度和 99.935% 的双量子比特门保真度。

这一进展可能会带来更大规模的量子系统，并为利用色心量子比特进行量子处理带来新的机遇。

在量子计算和量子网络领域，金刚石中的氮空位色心因其独特的性质和潜在应用而备受关注。氮空位色心是一种特殊的缺陷，其中一个氮原子取代了金刚石晶格中的碳原子，并且周围缺失了一个碳原子。这种缺陷在金刚石晶格中形成了一个稳定的色心，其电子自旋和核自旋可以作为量子比特进行控制和操作。

氮空位色心在固态中具有非常长的自旋相干时间，这使得它们成为量子信息存储的理想平台之一。这种长相干时间意味着量子信息可以在色心之间传输和存储更长时间，从而为构建大规模量子网络提供了可能性。

其次，氮空位色心在金刚石中的固态环境下具有良好的环境隔离性，可以减少外界扰动对量子信息的影响。这种环境隔离性使得氮空位色心成为实现高保真度量子门操作的理想平台之一。

此外，金刚石作为一种坚硬、透明且化学惰性的材料，具有良好的物理和化学稳定性，使得其在量子信息科学中具有广泛的应用前景。这种稳定性为长时间的量子计算操作提供了可靠的基础，并且有望促进量子技术的商业化和实用化。

尽管金刚石中的氮空位色心具有诸多优势，但固态自旋量子比特系统也面临一些挑战。其中包括：

1）实现高保真度的量子门操作：尽管氮空位色心具有长自旋相干时间，但实现高保真度的量子门操作仍然是一个挑战。要实现可靠的量子计算，需要开发高保真度的量子门操作。

2）控制和缩放：将氮空位色心作为量子比特进行控制和操作，需要精确的操控技术和复杂的量子调控系统。此外，如何将单个氮空位色心扩展到大规模量子系统也是一个重要的问题。

在这一背景下，代尔夫特研究团队着眼于金刚石中自旋量子比特，旨在实现高保真度的量子门操作。

通过精心设计和优化，科学家们旨在解决固态系统中量子门操作面临的挑战，并为实现更复杂的量子算法和可扩展的量子计算机奠定基础。

科学家们设计并演示了一个完整的高保真门集，该门集是由金刚石中一个氮空位中心的电子自旋和核自旋形成的双量子比特系统。

研究小组研究中运用了“门集层析成像”（gate set tomography，GST）技术，这是一种无校准层析方法，用于表征一整套量子门。GST执行一系列量子电路，包括准备和测量电路以及用于放大特定类型门误差的生长体。GST估计了门集的完整过程矩阵，提供了门错误的详细信息。在量子门设计中，GST被用于系统地表征和优化电子-氮两量子比特系统的门。

通过设计门以解耦不必要的相互作用，并对门进行优化以实现高保真度，科学家们实现了高达99.9991%的单量子比特门保真度和99.935%的双量子比特门保真度。

系统和实验概述

电子-氮系统的双量子比特GST

电子-自旋和氮-自旋量子比特的单量子比特GST

电子-氮SWAP门的实现

这项研究中展示的高保真度量子门，对于量子计算的进步至关重要，尤其是在提高量子门的保真度方面，这是可扩展量子计算和量子错误纠正协议的基本要求。

在此项研究中，通过运用门集层析成像（GST）技术精心优化的高保真量子门，为提升量子计算的精确度奠定了重要技术基石。实现了高达99.999(1)%的单量子比特门保真度及99.93(5)%的双量子比特门保真度，这一成就在量子计算领域标志着关键的技术飞跃。

这一极高的精确性对于量子错误纠正及构建更加复杂的量子算法具有至关重要的意义，进而有助于将量子计算机从理论研究推向实际应用的转变。

尽管在量子门设计上取得了显著成就，但此研究仍面临着一些挑战。首先是，GST方法在处理大规模系统时可能遭遇的可扩展性难题。此外，量子系统在实际操作中通常会受到环境噪声和退相干问题的影响，这可能会限制实验结果的广泛适用性。未来的研究方向可集中于优化GST算法，以适应更大的多量子比特系统，并探索新型量子纠错策略来对抗环境噪声的干扰。

展望未来，科学家们建议从以下几个方面进行深入研究：首先是深入挖掘GST方法在多量子比特系统中的潜力，以克服可扩展性的挑战；其次是进一步研究减少环境噪声影响及提升系统退相干时间的技术，以增强量子系统的稳定性；最后是探索如何将NV中心与其他类型的量子系统整合，以构建更为复杂的量子计算机和量子网络架构。

通过这些持续的努力，我们有望在量子计算和量子信息技术的发展道路上取得更加重大的进展。

[1]https://quantumzeitgeist.com/delft-university-team-advances-quantum-computing-with-high-fidelity-gates/

[2]https://arxiv.org/abs/2403.10633