由日本理化学研究所创发物性科学研究中心量子功能系统研究小组研究员武田健太、基础科学特别研究员野入亮人、研究组指导樽茶清悟等组成的研究团队，利用硅量子比特器件中的电子自旋量子比特，在世界上首次成功实现了三量子比特门并利用其完成了基本的量子纠错。这是实现硅半导体量子计算机难题之一的量子纠错的最基本功能，由此将加速今后的研究和发展。该成果已经发表在《自然》杂志的网络版上。
图1.硅量子计算机样品（供图：理化学研究所樽茶清悟先生）
图1.硅/硅锗量子比特样品（供图：理化学研究所樽茶清悟先生）
(a) 样品示意图。通过控制门极的电压，可以准确地将电子以1个为单位封装在硅层中。
(b) 样品的电子显微照片。比例为100nm（1nm为十亿分之一米）。
量子计算机基于其性质很容易出错，因此量子计算机要具有实用性就必须具备纠错技术。迄今为止，虽然已经实现了两个量子比特的基本操作，但在量子纠错中最少需要高精度地完全控制三个量子比特这在目前还很困难。
研究团队此前已经实现了两个量子比特的量子门，此次又在此基础上，实现了三量子比特门，即Toffoli门。Toffoli门只有在两个辅助量子比特都处于零状态时，才能使目标量子比特（数据量子比特）的状态翻转，在量子纠错中，这个操作就意味着可以根据检测到的错误来纠正数据量子比特的状态。
研究人员使用该Toffoli门，安装了三量子比特的相位纠错电路。通过对三个量子比特的量子纠缠状态进行编码，当三个量子比特当中的任何一个发生相位错误时，都可以通过解码（编码的逆操作）将其反映在辅助量子比特的状态中而检测出来。
事实上，通过在硅量子比特样品上安装这种量子电路，并在解码后测量辅助量子比特的状态，发现可以检测出错误。此外，根据两个辅助量子比特的状态修正数据量子比特状态的操作，即执行Toffoli门操作，就可以将数据量子比特修正回错误发生前的状态。 由此实现了量子计算机开发过程中的一个重要里程碑。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature
论文：Quantum error correction with silicon spin
DOI: 10.1038/s41586-022-04986-6
