荷兰代尔夫特理工大学的研究团队使用离散信号成功建立量子控制，实现了“翻滚”的自旋量子比特（即自旋在跳跃的同时还发生了旋转），简化了控制电子设备需求，并具有99.97%的单比特门保真度和99.3%的双比特门保真度。该研究有望在大规模系统中通过低功耗控制实现高保真量子计算，向容错量子计算迈出了关键一步。该成果于7月25日发表于《科学》杂志。
© Science 研究论文以《用跳跃自旋操作半导体量子处理器(Operating semiconductor quantum processors with hopping spins)》为题发表于《科学》杂志
基于量子点的量子比特被认为是有望实现量子计算机的一个潜在路线，因此在全球范围内受到了广泛研究。最常用的方法是捕获单个电子，并施加足够大的磁场，从而允许在电子的自旋上编码量子比特，并通过微波信号进行控制。尽管这种方法被用于执行高保真量子门，但其可扩展性受到高频振荡信号集成、量子比特串扰和加热引起退相干等的挑战。
然而，代尔夫特研究团队证明微波信号不是必需的，基带信号和小磁场就足以实现通用量子比特控制。这样将可以显著简化未来量子处理器运行所需的控制电子设备。
研究团队开创性地使用了锗（锗/硅锗异质结材料）基量子点，在此前的工作中首次观察到锗量子点的自旋旋转的迹象，表明锗量子点可以用作自旋量子比特跳跃的平台[Nature Communications 15, 5716 (2024)]。
自旋量子比特的跳跃形成了量子门，并与芯片上的其他自旋量子比特配对。Credit: Studio Oostrum for QuTech
在本研究中，团队实现了基于翻滚的自旋量子比特操控，即自旋在量子点之间跳跃的同时还发生了旋转。通常，量子点阵列中的每个自旋都有其专用的位点，它们可以跳跃到附近未被占据的位点上。半导体锗则有一个独特的特性:只要从一个位点跳到另一个位点，自旋就会经历一个扭矩，使其量子轴方向旋转。这一特性使研究人员能够有效地控制量子比特。
论文的第一作者Chien-An Wang指出：“锗的优势在于，它可以在不同的量子点中让自旋沿不同的方向排列。”事实证明，通过在这样的量子点之间自旋跳跃，可以制备出非常好的量子比特。“我们测量到，单量子比特门的错误率小于千分之一，双量子比特门的错误率小于百分之一。”
在四量子点系统中建立了对两个自旋的控制之后，研究团队又向前迈进了一步，研究了自旋在多个量子点之间跳跃。不同量子点之间的自旋跳跃也会产生独特的旋转。因此，描述和理解这些旋转操作的多样性是很重要的。
论文的合著者Francesco Borsoi补充说：“我们建立了控制程序，可以将自旋跳跃到10个量子点组成的阵列中的任何一个量子点，这使我们能够探测扩展系统中的关键量子比特指标。”
论文通讯作者之一Menno Veldhorst说：“在一年内，这种基于跳跃带来的量子比特旋转控制成为了整个团队使用的一种新工具。我们认为，为未来量子计算机的运行开发有效的控制方案至关重要，这种新方法很有前途。”
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado5915
报道链接：
https://phys.org/news/2024-07-somersaulting-qubits-universal-quantum-logic.html