為了發(fā)揮量子計算的潛力，需要協(xié)調(diào)數(shù)百萬個量子比特共同工作。在量子計算領(lǐng)域，半導(dǎo)體自旋量子比特（通常是量子點中的單個電子）因其小巧的體積，以及與集成電路技術(shù)的兼容性，而成為理想的選擇之一。
然而，量子比特之間的直接相互作用，會隨著距離的增加而自然減弱。而未來的量子計算架構(gòu)，可能需要在不同距離尺度上的量子比特之間建立相互作用機(jī)制。
需要了解的是，這些量子比特通過最近鄰耦合相互作用，它們之間的距離大約只有 100 納米。目前，該技術(shù)最先進(jìn)的水平是 Intel 公司的 12 量子比特的量子處理器。與此同時，科學(xué)家們?yōu)樵黾恿孔颖忍氐臄?shù)量仍在不斷努力。
但是，要將量子比特的數(shù)量擴(kuò)展到數(shù)百萬級別并非易事，它仍然面臨著一個重大挑戰(zhàn)：控制線路必須連接到芯片上的每個單個量子比特。
近期，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)團(tuán)隊開發(fā)了一種新方法，旨在通過允許自旋量子比特在更長的距離（幾百微米）上相互作用，來克服上述挑戰(zhàn)。
他們以微波諧振器中的虛擬光子為介導(dǎo)，芯片上局部和遠(yuǎn)距離耦合的組合實現(xiàn)了分布式架構(gòu)。在兩個相隔 250 微米的半導(dǎo)體自旋量子比特之間，實現(xiàn)了相干兩比特邏輯，這一距離是該平臺上常用直接相互作用機(jī)制的數(shù)個數(shù)量級。
研究人員報告了兩個自旋量子比特的反相位振蕩，且其頻率可控。觀察結(jié)果與量子比特的 iSWAP 振蕩模型一致，并證明了在 10 納秒內(nèi)實現(xiàn)糾纏操作的可能性。
通過這種新方法，量子比特之間的通信和操作能夠在更大的空間范圍內(nèi)進(jìn)行，為芯片上可擴(kuò)展的自旋量子比特模塊網(wǎng)絡(luò)帶來了新的希望。
這項研究不僅顯著延長了量子比特間相互作用的距離，還為未來量子計算機(jī)的模塊化設(shè)計提供了新的思路。
圖丨從左至右依次為：尤爾根迪克馬、薛瀟和利芬ML萬德斯潘（來源：課題組）
近日，相關(guān)論文以《諧振腔介導(dǎo)的長距離自旋間的 iSWAP 振蕩》（Cavity-mediated iSWAP oscillations between distant spins）為題發(fā)表在 Nature Physics[1]。
代爾夫特理工大學(xué)博士生尤爾根迪克馬（Jurgen Dijkema）和博士后薛瀟是共同第一作者，利芬ML萬德斯潘（Lieven M. K. Vandersypen）教授擔(dān)任通訊作者。
Nature Physics 的編輯團(tuán)隊對該研究評價稱，“這項工作代表了在長距離連接半導(dǎo)體量子比特方面的重要進(jìn)展，這對于許多固態(tài)量子計算平臺來說是一個突出的挑戰(zhàn)�！�
圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Physics）
研究人員設(shè)想將局部量子位寄存器在芯片上分布式擺放，中間留有空間用于布線，也可能用于部分控制電子設(shè)備。在這種架構(gòu)中，光譜學(xué)中已經(jīng)觀察到遠(yuǎn)距離自旋之間的耦合，然而時域中的自旋-自旋演化仍然是一個未完成的目標(biāo)。
該課題組制備了一個 250 微米長的微波超導(dǎo)諧振器，兩端都有雙量子點結(jié)構(gòu)，每個雙量子點上都沉積了一對微磁體。
在 10 毫開爾文的溫度下，實現(xiàn)了在每個雙量子點中捕獲一個單獨的電子。在外加磁場中，電子的自旋提供了一個兩能級系統(tǒng)，研究人員將其用來編碼一個量子比特。
圖丨量子點-諧振器-量子點器件（來源：Nature Physics）
需要了解的是，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離自旋-自旋耦合（通過虛擬光子）的首要必要條件，是實現(xiàn)兩側(cè)的強(qiáng)自旋-光子耦合。這意味著，耦合強(qiáng)度必須遠(yuǎn)超過自旋退相干時間和諧振器中光子的壽命。
他們通過電荷自由度間接建立了電子自旋與光子的耦合。當(dāng)電子能夠在兩個量子點之間自由振蕩時，其電荷很容易與諧振器光子相互作用。同時，自旋-電荷耦合通過附近微磁體的梯度場產(chǎn)生，進(jìn)而實現(xiàn)了自旋-光子的耦合。
基于此，研究人員可以方便地通過將電子固定在單個量子點中，來快速關(guān)閉這種相互作用。
根據(jù)自旋電路量子電動力學(xué)原理，當(dāng)同時打開兩側(cè)的單個自旋-光子耦合，且兩個自旋頻率相互共振但與諧振器失諧時，會導(dǎo)致兩個自旋量子比特的狀態(tài)在 01 和 10 間周期性演化。
因此，該課題組進(jìn)行了一個實驗，其中準(zhǔn)備了兩個量子比特，一個處于基態(tài)，另一個處于激發(fā)態(tài)。研究人員在實驗中觀察到，遠(yuǎn)距離自旋之間的反相振蕩。
實驗數(shù)據(jù)顯示，它們的狀態(tài)在大約 42 納秒內(nèi)發(fā)生了交換。預(yù)計經(jīng)過大約 21 納秒的耦合時間，可以最大限度地糾纏兩個自旋。此外，該團(tuán)隊實現(xiàn)相干地耦合了相隔 250 微米的兩個電子自旋，并能夠控制和探測它們隨時間的演化。
圖丨兩個遠(yuǎn)距離自旋量子比特之間的 iSWAP 振蕩（來源：Nature Physics）
雖然實驗中觀察到了遠(yuǎn)距離自旋之間的顯著反相振蕩現(xiàn)象，但這些振蕩伴隨著明顯的衰減。衰減的原因在于，自旋相互作用時信息會相對迅速地丟失到環(huán)境中。
為了提高自旋-光子耦合率，研究人員特意增強(qiáng)了電子自旋與其電荷的耦合，但這也讓自旋更容易受到設(shè)備中電噪聲的影響，進(jìn)而降低了性能。
為實現(xiàn)操作的準(zhǔn)確性，他們通過測量和建模的結(jié)合估計約為 83%，尚未達(dá)到容錯量子計算所需的閾值（需超過 99%）。
該論文的作者認(rèn)為，降低系統(tǒng)中的電噪聲，在現(xiàn)有技術(shù)下是可行的，將有助于使操作精度超過閾值。此外，增加單個自旋-光子耦合率也是有益的，因為這將使得操作在電子自旋不太容易受到電荷噪聲影響的狀態(tài)下進(jìn)行，同時不影響相互作用速度。
這些改進(jìn)為擴(kuò)展自旋量子比特的規(guī)模，提供了一種有發(fā)展前景的架構(gòu)解決方案。同時，也可能為量子模擬領(lǐng)域帶來新的機(jī)遇，例如規(guī)�；牧孔酉到y(tǒng)可用于研究復(fù)雜的多體物理問題。
此外，這項技術(shù)還使得研究與費米子和玻色子自由度相關(guān)的模型成為可能，特別是通過電子自旋與微波光子相互作用來實現(xiàn)。
參考資料：
1.Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Cavity-mediated iSWAP oscillations between distant spins. Nature Physics (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02694-8
運(yùn)營/排版：何晨龍
