传统计算机很少出错，这在很大程度上要归功于半导体晶体管的数字行为。 它们要么开要么关，对应于经典位的 1 和 0。

另一方面，量子位或量子位可以等于零、一个或两者的任意混合，从而允许量子计算机解决某些超出任何经典计算机容量的计算。 然而，量子位的一个复杂问题是它们可以占据计算 1 和 0 之外的能级。 如果这些附加级别太接近一或零，则更有可能发生错误。

“在经典计算机中，晶体管的所有方面都非常均匀。”威斯康星大学麦迪逊分校杰出科学家 Mark Friesen 说，他是两篇论文的作者。 “硅量子位在很多方面都像晶体管，我们已经到了可以很好地控制量子位属性的阶段，除了一个。”

这一特性被称为谷分裂，是计算零能级和附加能级之间的缓冲区，有助于减少量子计算错误。

在 12 月发表在 Nature Communications 上的两篇论文中，来自威斯康星大学麦迪逊分校、新南威尔士大学和代尔夫特理工大学的研究人员表明，调整量子比特的物理结构（称为硅量子点）可以产生足够的谷分裂以减少 计算错误。 这些发现颠覆了传统观点，表明不太完美的硅量子点可能是有益的。

过去，制造量子比特最常见的方法是将量子点嵌入一层称为硅阱的纯硅中，然后将该层夹在两层硅锗层之间，层间边界清晰。 在这些新研究中，半导体量子比特的制造方式类似，硅层位于两层硅锗之间。 新特点是在硅层本身添加了锗。

威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授 Bob Joynt 说：“每个人都一直认为，在量子位设计中，你不应该搞砸的一件事就是纯硅。” “我们决定，好吧，让我们稍微搞砸一下。”

研究人员故意以稍微不同的方式在硅层中添加锗，从而搞乱了设计。 就像物理学中的许多成功一样，他们的成功始于理论计算。 Joynt 问道，如果整个井中的锗浓度以有规律的波峰和波谷“摆动”，会发生什么情况。 Friesen 的小组也为 TU-Delft 的配套论文做出了贡献，他们指出，即使研究人员试图将其拒之门外，也会有少量锗溢出到井中。 他们问如果在整个井中随机撒上少量锗会发生什么。

威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授马克埃里克森说：“理论计算明确表明，包含锗更好，摆动比不摆动更好。”他的团队测试了新的摆动阱量子位。

在确认摆动阱没有显着改变量子点的电子特性后，埃里克森的团队测量了这些新结构中能量缓冲器或谷分裂的大小。 对于嵌入摆动井中的量子点，该理论预测会增加 20 微电子伏特。 但在实验室中，测得的最大谷分裂接近 250 微电子伏特。 此外，当量子点移动到井中的新位置时，谷分裂发生变化，构成摆动的原子位于不同的位置。 浓度的波动显然不是影响谷分裂的唯一因素——单个原子也很重要。

这个事实证明是关键：摆动井中的原子分布有些随机。 将这种随机分布引入数值模拟可以准确地解释观察到的山谷分裂变化。 在第二篇论文中，Friesen 和他的 TU-Delft 合作者证实，与没有锗存在时相比，井中均匀分布的随机锗平均会导致更大的谷分裂。

“与许多人的担忧相反，井中的锗是一个非常好的主意。”埃里克森说。 “如果你完全随机地喷洒它，没有浓度波动，你会做得很好。 如果你在其中加入浓度波动，你会做得更好。”

两种量子比特结构都已申请 WARF 的专利保护，威斯康星大学麦迪逊分校的团队正在积极致力于进一步增强谷分裂的设计。

“当量子计算机由硅/硅-锗量子比特制成时，它们可能希望在井中加入锗。”Joynt 说。 “但我们还不知道。 我们才刚刚开始。”

在威斯康星大学麦迪逊分校，Thomas McJunkin、Benjamin Harpt、Yi Feng、Merritt Losert、J. P. Dodson、Michael Wolfe、Don Savage、Max Lagally 和 Sue Coppersmith 也为这项工作做出了贡献。 这两项研究均由美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室 (W911NF-17-1-0274) 下属的陆军研究办公室资助。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南留学态度观点。