科学家实现硅基芯片上远距离量子逻辑，为构建量子计算机提供方法

为了发挥量子计算的潜力，需要协调数百万个量子比特共同工作。在量子计算领域，半导体自旋量子比特（通常是量子点中的单个电子）因其小巧的体积，以及与集成电路技术的兼容性，而成为理想的选择之一。

然而，量子比特之间的直接相互作用，会随着距离的增加而自然减弱。而未来的量子计算架构，可能需要在不同距离尺度上的量子比特之间建立相互作用机制。

需要了解的是，这些量子比特通过最近邻耦合相互作用，它们之间的距离大约只有 100 纳米。目前，该技术最先进的水平是 Intel 公司的 12 量子比特的量子处理器。与此同时，科学家们为增加量子比特的数量仍在不断努力。

但是，要将量子比特的数量扩展到数百万级别并非易事，它仍然面临着一个重大挑战：控制线路必须连接到芯片上的每个单个量子比特。

近期，荷兰代尔夫特理工大学团队开发了一种新方法，旨在通过允许自旋量子比特在更长的距离（几百微米）上相互作用，来克服上述挑战。

他们以微波谐振器中的虚拟光子为介导，芯片上局部和远距离耦合的组合实现了分布式架构。在两个相隔 250 微米的半导体自旋量子比特之间，实现了相干两比特逻辑，这一距离是该平台上常用直接相互作用机制的数个数量级。

研究人员报告了两个自旋量子比特的反相位振荡，且其频率可控。观察结果与量子比特的 iSWAP 振荡模型一致，并证明了在 10 纳秒内实现纠缠操作的可能性。

通过这种新方法，量子比特之间的通信和操作能够在更大的空间范围内进行，为芯片上可扩展的自旋量子比特模块网络带来了新的希望。

这项研究不仅显著延长了量子比特间相互作用的距离，还为未来量子计算机的模块化设计提供了新的思路。

近日，相关论文以《谐振腔介导的长距离自旋间的 iSWAP 振荡》（Cavity-mediated iSWAP oscillations between distant spins）为题发表在Nature Physics[1]。

代尔夫特理工大学博士生尤尔根·迪克马（Jurgen Dijkema）和博士后薛潇是共同第一作者，利芬·M·L·万德斯潘（Lieven M. K. Vandersypen）教授担任通讯作者。

Nature Physics的编辑团队对该研究评价称，“这项工作代表了在长距离连接半导体量子比特方面的重要进展，这对于许多固态量子计算平台来说是一个突出的挑战。”

研究人员设想将局部量子位寄存器在芯片上分布式摆放，中间留有空间用于布线，也可能用于部分控制电子设备。在这种架构中，光谱学中已经观察到远距离自旋之间的耦合，然而时域中的自旋-自旋演化仍然是一个未完成的目标。

该课题组制备了一个 250 微米长的微波超导谐振器，两端都有双量子点结构，每个双量子点上都沉积了一对微磁体。

在 10 毫开尔文的温度下，实现了在每个双量子点中捕获一个单独的电子。在外加磁场中，电子的自旋提供了一个两能级系统，研究人员将其用来编码一个量子比特。

需要了解的是，实现远距离自旋-自旋耦合（通过虚拟光子）的首要必要条件，是实现两侧的强自旋-光子耦合。这意味着，耦合强度必须远超过自旋退相干时间和谐振器中光子的寿命。

他们通过电荷自由度间接建立了电子自旋与光子的耦合。当电子能够在两个量子点之间自由振荡时，其电荷很容易与谐振器光子相互作用。同时，自旋-电荷耦合通过附近微磁体的梯度场产生，进而实现了自旋-光子的耦合。

基于此，研究人员可以方便地通过将电子固定在单个量子点中，来快速关闭这种相互作用。

根据自旋电路量子电动力学原理，当同时打开两侧的单个自旋-光子耦合，且两个自旋频率相互共振但与谐振器失谐时，会导致两个自旋量子比特的状态在 01 和 10 间周期性演化。

因此，该课题组进行了一个实验，其中准备了两个量子比特，一个处于基态，另一个处于激发态。研究人员在实验中观察到，远距离自旋之间的反相振荡。

实验数据显示，它们的状态在大约 42 纳秒内发生了交换。预计经过大约 21 纳秒的耦合时间，可以最大限度地纠缠两个自旋。此外，该团队实现相干地耦合了相隔 250 微米的两个电子自旋，并能够控制和探测它们随时间的演化。

虽然实验中观察到了远距离自旋之间的显著反相振荡现象，但这些振荡伴随着明显的衰减。衰减的原因在于，自旋相互作用时信息会相对迅速地丢失到环境中。

为了提高自旋-光子耦合率，研究人员特意增强了电子自旋与其电荷的耦合，但这也让自旋更容易受到设备中电噪声的影响，进而降低了性能。

为实现操作的准确性，他们通过测量和建模的结合估计约为 83%，尚未达到容错量子计算所需的阈值（需超过 99%）。

该论文的作者认为，降低系统中的电噪声，在现有技术下是可行的，将有助于使操作精度超过阈值。此外，增加单个自旋-光子耦合率也是有益的，因为这将使得操作在电子自旋不太容易受到电荷噪声影响的状态下进行，同时不影响相互作用速度。

这些改进为扩展自旋量子比特的规模，提供了一种有发展前景的架构解决方案。同时，也可能为量子模拟领域带来新的机遇，例如规模化的量子系统可用于研究复杂的多体物理问题。

此外，这项技术还使得研究与费米子和玻色子自由度相关的模型成为可能，特别是通过电子自旋与微波光子相互作用来实现。

参考资料：

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

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