阻礙實用大規模量子計算發展的一個主要障礙是難以檢測和糾正操作過程中由於噪聲、不完美的控制訊號和其他來源而產生的錯誤。當錯誤發生時，它可能會將敏感的量子位元（qubit）的值從1翻轉為0，或者反之。更多量子位元的翻轉會導致錯誤累積，最終可能導致計算錯誤。

現在，澳大利亞的研究人員表示，他們已經設計出一種編碼量子資訊的方法，這種方法可降低錯誤累積的影響，併為標記錯誤以及在錯誤發生時糾正錯誤打開了大門（https://www.unsw.edu.au/newsroom/news/2025/01/quantum-computing-schroedingers-cat-silicon-chip）。

為了證明這一點，澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）和墨爾本大學的量子工程師將一個銻原子嵌入矽器件中以建立一個量子位元。標準的量子位元有兩種自旋態——粒子的一種固有屬性，可以被比作微小的旋轉磁體——而重銻原子有八種可能的核自旋態。這使得研究人員能夠將銻原子自旋序列一端的自旋態編碼為0，另一端的自旋態編碼為1，而六個中間態作為輔助態。

作為解釋擁有多個輔助態優勢的一種方式，新南威爾士大學量子工程學教授、該研究小組的負責人Andrea Morello提到了貓有九條命的古老傳說。

Morello說：“銻原子有八個量子能級，從第一個能級到最後一個能級需要七步，就像貓有七條（額外的）命一樣。當發生錯誤時，它會將零態提升一個自旋能級，而這個能級不用於編碼量子資訊，所以它能保持其值，貓就活下來了。” 隨著錯誤不斷發生，這種情況會持續，直到達到第八個能級，“這時0就會翻轉成1，貓就死了”。

Morello表示，在量子位元的值改變之前對錯誤的這種容忍性提供了一種進行量子計算的新方法。資訊仍然以0和1進行編碼，但現在即使出現錯誤也不會擾亂資訊。

該實驗裝置由一塊矽晶片組成，晶片上有對準標記。晶片塗有抗蝕劑（在這種情況下，是一層保護性的聚合物樹脂層，用於防止離子注入）——除了留下一個極小的裸露空間視窗。晶片被放入離子注入機中，然後用銻原子進行轟擊，直到有一個銻原子穿過裸露區域並嵌入矽中。

“這是所有半導體摻雜的標準方法，”Morello說，“我們所做的是將這一過程推進到單原子水平。”雖然在這種情況下單原子摻雜對於研究目的來說是可行的，但要使這一過程在量子計算中具有實用性，規模化也是可能的。Morello的團隊與墨爾本大學的合作者還設計並展示了幾種將銻原子陣列嵌入矽中的規模化方法。這項工作的成果於去年8月發表在《先進材料》雜誌上（https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202405006）。

在嵌入單個銻原子之後，抗蝕劑被去除，工程師們以對準標記為參照，在銻原子上方製造了一個電晶體和一個微型天線。這使他們能夠利用天線向原子傳送射頻和微波訊號，從而改變和控制其量子態。至於電晶體，研究人員將其設計為隨著銻原子量子態的改變而開啟和關閉，這樣他們就能觀察到這些變化。

Morello選擇矽來製作晶片，不僅因為它是“半導體行業的主力”，還因為它可以經過處理去除幾乎所有會因其磁性而產生不必要量子干擾的原子。

這意味著我們已經為銻原子創造了一個非常安靜的工作環境，”Morello說，“而且我們可以高精度地控制它的量子態。”該研究成果於1月14日發表在《自然物理學》雜誌上（https://www.nature.com/articles/s41567-024-02745-0.epdf?sharing_token=FRa1wjK9EuiwxAIpYlhXwdRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0Py8zm8t9wt03sa-DLDHpOnOR9Wk5Z1yg0k_jA70_E-9DFPb_5aba5PpXGlZ9PBQFZMvt9pqYxTLSJ0y-COHrOppyD5zWkTKrGnVh7ypELUnBrYkoCtIq1LYuEOcTyP1bgTGSzdWIhXQoInFkZY2USiUHGbQ5tyY0jQXg00VmNV_tuG20sJPsuweG-koi7L7s%3D&tracking_referrer=www.livescience.com）。

展望未來，當構建量子計算機需要更多銻原子時，這些原子將被嵌入，使得它們的位置能夠讓它們相互作用，並且可以使用晶片上方的電極層來控制這種相互作用。“我們將透過這種方式進行邏輯運算，”Morello說。

但接下來也是最重要的一步是檢測錯誤，並透過測量銻原子中間量子自旋能級中的錯誤位置來糾正這些錯誤。“這是量子計算中的‘聖盃’（重大目標），”Morello說，“這是我們希望很快能完成的事情。”