目前阻碍大规模量子计算发展的主要挑战，是难以检测和纠正在操作过程中因噪声、有缺陷的控制信号以及其他干扰源导致的错误。当有错误发生时，对此敏感的量子比特的取值可能从1翻转为0或从0翻转为1。更多这样的量子比特翻转意味着错误累积，最终结果则是计算错误。

眼下，澳大利亚新南威尔士大学和墨尔本大学的量子工程师设计出一种编码量子信息的方法，此方法可以减小错误积累的影响，并于错误发生时标记、纠正它们。新成果发表于今年1月的《自然-物理》(Nature Physics)杂志。

研究小组将一个锑原子嵌入硅器件内，以创建一个量子比特。标准量子比特有两种自旋状态(这是粒子的固有属性，可类比为微型旋转磁体)，但质量较大的锑原子有8种可能的核自旋态。这使得研究者可将锑原子自旋序列两端的状态分别编码为0和1，另外6种中间的状态作为辅助态。

科学家创造了一种“七命猫”式、更能容错的新型量子比特

拥有多重辅助状态具备怎样的优势？项目团队负责人、量子工程学教授安德里亚·莫雷洛(Andrea Morello)引用“猫有九条命”的古老传说来作解释。

“锑原子有8个量子能级，从第一能级到最后一个能级，需经7步，这就像1只拥有7条性命的猫。出现错误时，它会将量子比特的0提升一个不用于编码量子信息的自旋能级，故0值得以保留，这就好比猫丢了一条命但依然没死。”这种情况可一直持续到抵达第八个能级，至此，0被翻转为1，真正的错误出现，猫失去全部性命而亡。”

莫雷洛表示，这种在量子比特的取值翻转前容忍错误的技术为量子计算提供了新方法。信息仍以0和1的形式编码，但即便出现错误，信息也不会被搞乱。

实验装置由一块带有对准标记硅片构成。芯片上涂有一层保护性聚合物树脂作为抗蚀剂，用以阻挡离子注入，只留一处微小的裸露窗口。研究人员将芯片置入离子注入机，然后用锑原子轰击，直到锑原子穿过裸露区域并嵌入硅中。

锑矿

莫雷洛说道：“这是用于所有半导体的标准掺杂方式。而我们将此过程推进至单原子水平。”此类单原子掺杂技术足够满足科研目的，不过若要向实用的量子计算迈进，规模化是前提——当然，这也可行。

莫雷洛团队此前与墨尔本大学的合作者设计并展示了几种将锑原子阵列嵌入硅的规模化方法。相关成果于2024年8月发表在《先进材料》(Advanced Materials)杂志上。

嵌入单个锑原子后，工程师们去除抗蚀剂，并使用对准标记作为参照，在锑原子上方制作了一个晶体管和一个微型天线。通过天线将射频和微波信号传送给原子，可以改变和控制其量子态。晶体管的设计则令其可随锑原子的量子态变化而打开和关闭，这有助于研究者观察变化。

莫雷洛之所以选择硅作为芯片材料，不仅是因为硅是半导体行业的“栋梁之材”，更因为它能通过特定处理去除掉——几乎所有可能因磁性产生有害量子干扰的原子。

莫雷洛指出：“这意味着，我们给锑原子创造了非常安静的工作环境。我们能以高保真度控制其量子态。”

展望未来，当需要更多锑原子来构建量子计算机时，我们或可将原子嵌入硅基体，以使其能够相互作用，同时又可通过芯片上部的电极层进行控制。“这就是我们执行逻辑运算的方式。”莫雷洛说道。

下一步工作，也是迈向成功的最关键一步，是检测错误与纠正错误——实现方式则是测量这些错误在锑原子中间量子自旋能级中的位置。用莫雷洛话说，如果做到，那将是“量子计算的圣杯”。

资料来源：

A Cat’s Nine Lives Inspire a Way to Quell Quantum Errors

END