该团队构建了一个控制电子之间相互作用的门，使其能够充当量子计算所需的信息量子位或量子位。这种几乎无差错的双量子比特门的演示是用硅构建更复杂的量子计算设备的重要早期步骤，硅与传统计算机和智能手机中使用的材料相同。

普林斯顿大学物理学教授 杰森佩塔说：“我们知道，如果基于硅的技术在扩大规模和建造量子计算机方面具有前景，我们需要让这个实验得以实现 。” “这种高保真双量子比特门的创建为大规模实验打开了大门。”

与实现量子计算机的其他技术相比，基于硅的设备可能更便宜且更容易制造。虽然其他研究小组和公司已经宣布量子器件包含50或更多量子位，但这些系统需要特殊材料，如超导体或激光器固定的带电原子。

量子计算机可以解决传统计算机无法访问的问题。这些设备可能能够计算极大数量或找到解决复杂问题的最佳解决方案。它们还可以帮助研究人员了解极小颗粒(如原子和分子)的物理特性，从而在材料科学和药物发现等领域取得进展。

构建量子计算机需要研究人员创建量子比特并以高保真度相互耦合。基于硅的量子器件使用称为“自旋”的电子的量子特性来编码信息。旋转可以以类似于磁体的北极和南极的方式向上或向下指向。相反，传统计算机通过操纵电子的负电荷来工作。

实现高性能，基于自旋的量子器件受到自旋状态脆弱性的阻碍 - 它们很容易从上到下翻转，反之亦然，除非它们可以在非常纯净的环境中隔离。通过在普林斯顿的量子器件纳米加工实验室中建立硅量子器件 ，研究人员能够在相对较长的时间内保持自旋相干 - 即在量子态中。

为了构建双量子比特门，研究人员将微小的铝线分层到高度有序的硅晶体上。这些导线提供的电压能够捕获两个被电子势垒隔开的单个电子，称为双量子点的井状结构。

通过暂时降低能垒，研究人员允许电子共享量子信息，创造一种称为纠缠的特殊量子态。这些被捕获和纠缠的电子现在可以用作量子比特，它们像传统的计算机比特一样但具有超级能力：传统比特可以表示零或1，每个量子比特可以同时为0和1，大大扩展了数量可以立即比较的可能排列。

普林斯顿大学物理系研究生，该研究的第一作者David Zajac说：“我们面临的挑战是，建造小到足以捕获和控制单个电子而不会破坏其长存储时间的人造结构是非常困难的。” “这是硅中两种电子自旋之间纠缠的第一次证明，这种材料已知为电子自旋状态提供最清洁的环境之一。”

研究人员证明他们可以使用第一个量子比特来控制第二个量子位，表示该结构起到受控NOT(CNOT)门的作用，这是常用计算机电路元件的量子版本。研究人员通过施加磁场来控制第一个量子比特的行为。门根据第一个量子位的状态产生一个结果：如果第一个自旋被指向上，那么第二个量子位的自旋将会翻转，但如果第一个自旋向下，第二个自旋将不会翻转。

“大门基本上是说如果另一个粒子处于某种状态，它只会对一个粒子做一些事情，”佩塔说。“一个粒子的变化取决于另一个粒子。”

研究人员表明，它们可以保持电子自旋的量子态，保真度超过99%，并且栅极可靠地工作，在75%的时间内翻转第二个量子比特的自旋。据研究人员称，该技术有可能以更低的错误率扩展到更多的量子比特。

加州大学洛杉矶分校物理与天文学教授洪宏文表示：“这项研究在世界范围内的竞赛中脱颖而出，展示了基于硅的量子比特中量子计算的基本构建模块CNOT门。” “两量子比特操作的错误率是明确的基准测试。特别令人印象深刻的是，这个非常困难的实验，需要精密的器件制造和精确的量子态控制，是在一个只有少数研究人员组成的大学实验室里完成的。“