用于通用量子逻辑的翻筋斗自旋量子比特可以增强更大阵列的控制

QuTech的研究人员为通用量子逻辑开发了翻筋斗自旋量子比特。这一成果可能使大型半导体量子比特阵列能够实现高效控制。该研究小组在《自然通讯》上发表了他们对跳跃自旋的演示，并在《科学》上发表了他们对翻筋斗自旋的研究成果。

1998年，Loss和DiVincenzo发表了开创性著作《量子点量子计算》。在他们的原创著作中，自旋跳跃被提议作为量子比特逻辑的基础，但实验实施仍然缺乏。经过20多年的发展，实验已经赶上了理论。代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究院合作成立的QuTech的研究人员已经证明，最初的“跳跃门”确实是可行的，并且具有最先进的性能。

让控制变得简单

基于量子点的量子比特在全世界范围内受到广泛研究，因为它们被认为是构建量子计算机的有力平台。最流行的方法是捕获单个电子并施加足够大的磁场，使电子的自旋可以用作量子比特并由微波信号控制。

然而，在这项研究中，研究人员证明不需要微波信号。相反，基带信号和小磁场就足以实现通用量子比特控制。这是有益的，因为它可以大大简化操作未来量子处理器所需的控制电子设备。

控制旋转需要从一个点跳到另一个点，以及一个能够旋转它的物理机制。最初，Loss和DiVincenzo的提议使用了一种特定类型的磁铁，事实证明这在实验上很难实现。

相反，QuTech的团队率先采用了锗。这种半导体本身可能已经允许自旋旋转。这一发现源自《自然通讯》杂志发表的一项研究，该研究团队的FloorvanRiggelen-Doelman和CorentinDéprez表明，锗可以作为自旋量子比特跳跃的平台，作为建立量子链接的基础。他们首次观察到了自旋旋转的迹象。

在考虑跳跃和翻筋斗量子比特之间的区别时，可以将量子点阵列想象成一个蹦床公园，其中电子自旋就像人们在跳跃。通常，每个人都有一张专用的蹦床，但如果有的话，他们可以跳到相邻的蹦床上。锗具有一种独特的特性：只要从一个蹦床跳到另一个蹦床，人就会感受到一个让他们翻筋斗的扭矩。这一特性使研究人员能够有效地控制量子比特。

《科学》杂志论文第一作者王建安指出：“锗的优势在于，它可以在不同量子点中沿不同方向排列自旋。”事实证明，通过在这种量子点之间跳跃自旋可以产生非常好的量子比特。“我们测量到，单量子比特门的错误率低于一千，双量子比特门的错误率低于一百。”

在蹦床公园里翻筋斗的量子比特

在四量子点系统中控制了两个自旋后，该团队又向前迈进了一步。除了在两个量子点之间跳跃自旋外，该团队还研究了在多个量子点之间跳跃自旋。类似地，这相当于一个人在许多蹦床上跳跃和翻筋斗。合著者瓦伦丁·约翰解释说：“对于量子计算，必须以高精度操作和耦合大量量子比特。”

不同的蹦床会让人在跳跃时感受到不同的扭矩，同样，量子点之间的跳跃自旋也会产生独特的旋转。因此，表征和理解这种变化非常重要。

合著者FrancescoBorsoi补充道：“我们建立了控制程序，可以将自旋跳跃到10量子点阵列中的任何量子点，这使我们能够探测扩展系统中的关键量子比特指标。”

“我很自豪看到大家的团队合作，”首席研究员MennoVeldhorst说道。“在一年的时间里，观察因跳跃而引起的量子比特旋转成为整个团队使用的工具。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，这种新方法很有前景。”