由日本理化學研究所創發物性科學研究中心量子功能系統研究小組研究員武田健太、基礎科學特別研究員野入亮人、研究組指導樽茶清悟等組成的研究團隊，利用硅量子位元器件中的電子自旋量子位元，在世界上首次成功實施了三量子位元門並利用其完成了基本的量子糾錯。這是實施硅半導體量子電腦難題之一的量子糾錯的最基本功能，由此將加速今後的研究和隊形變換。該成果已經發表在《自然》雜誌的網路版上。
圖1.硅量子電腦樣品（供圖：理化學研究所樽茶清悟先生）
圖1.硅/硅鍺量子位元樣品（供圖：理化學研究所樽茶清悟先生）
(a) 樣品示意圖。透過控制門極的電壓，可以準確地將電子以1個爲單位封裝在硅層中。
(b) 樣品的電子顯微照片。比例爲100nm（1nm爲十億分之一米）。
量子電腦基於其性質很容易出錯，因此量子電腦要具有實用性就必須具備糾錯技術。迄今爲止，雖然已經實施了兩個量子位元的基本操作，但在量子糾錯中最少需要高精度地理想控制三個量子位元這在目前還很困難。
研究團隊此前已經實施了兩個量子位元的量子門，此次又在此基礎上，實施了三量子位元門，即Toffoli門。Toffoli門只有在兩個輔助量子位元都處於零狀態時，才能使目標量子位元（資料量子位元）的狀態翻轉，在量子糾錯中，這個操作就意味着可以根據檢測到的錯誤來糾正數據量子位元的狀態。
研究人員使用該Toffoli門，安裝了三量子位元的相糾錯電路。透過對三個量子位元的量子糾纏狀態進行編碼，當三個量子位元當中的任何一個發生相錯誤時，都可以透過解碼（編碼的逆操作）將其反映在輔助量子位元的狀態中而檢測出來。
事實上，透過在硅量子位元樣品上安裝這種量子電路，並在解碼後測量輔助量子位元的狀態，發現可以檢測出錯誤。此外，根據兩個輔助量子位元的狀態修正數據量子位元狀態的操作，即執行Toffoli門操作，就可以將資料量子位元修正回錯誤發生前的狀態。 由此實施了量子電腦開發程序中的一個重要里程碑。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature
論文：Quantum error correction with silicon spin
DOI: 10.1038/s41586-022-04986-6
