来源：PHYS.ORG

暗视野显微镜图像显示超导谐振器（细亮水平线）与两个栅极定义的双点耦合。各个点的栅极扇出在谐振器的左侧和右侧可见。通过记录从输入端口（左上）经谐振器到输出端口（右上）的微波传输来测量该器件。图片来源：TU Delft/QuTech，Vandersypen 实验室。

量子计算有望在某些优化和数据处理任务上超越传统计算。然而，高性能大规模量子计算机的诞生依赖于支持量子比特（量子计算中的信息单位）在一定距离范围内进行受控交互的能力。

到目前为止，保持远距离半导体量子比特之间相互作用的一致性，同时控制这些相互作用，一直是一项艰巨的任务。通过克服这一障碍，量子物理学家和工程师可以开发出更先进的量子计算机，来解决更复杂的问题。

荷兰代尔夫特理工大学 (TU Delft) 的研究人员设计出一种有前景的方法来实现远距离半导体量子比特之间的相干量子相互作用。他们的论文发表在《自然物理》杂志上，展示了如何使用这种方法来实现相距 250 微米的两个电子自旋量子比特之间的相干相互作用。

文章一作 Lieven Vandersypen 告诉 Phys.org：“半导体量子点中的电子自旋对量子信息处理显示出巨大的潜力。”

“然而，由于常用的双量子比特门交换相互作用需要自旋相距仅 100 纳米，因此架构的扩展受到了限制。实现更长距离的双量子比特门，例如超过 10 微米，一直是业界的长期目标。”

Lieven Vandersypen及其同事的研究建立在量子计算领域的最新研究成果之上。具体来说，是从利用耦合量子位寄存器的片上网络扩展半导体自旋量子位处理器的想法中汲取的灵感。

这些网络由集成在单个芯片上的多个量子位模块组成。每个模块中的量子位共同执行本地量子操作，而远程寄存器则通过远程耦合机制相互通信。

两个远距离自旋量子比特之间的 iSWAP 振荡。图片来源：《自然物理学》（2024 年）。DOI：10.1038/s41567-024-02694-8

受此设计的启发，研究人员创建了一个系统，其中有两个相距 250 微米的半导体自旋量子比特。利用超导谐振器，他们能够演示这两个量子比特之间的相干相互作用。

“我们系统中的两个自旋中的每一个都被限制在一个静电定义的双量子点中，这两个量子点在同一芯片上相距 250 微米，”Vandersypen解释道。“自旋以间接方式相互作用，由与两个双点耦合的片上超导谐振器中的虚拟光子介导。”

Vandersypen 和他的同事将系统中一个自旋初始化为基态，另一个自旋初始化为激发态。当他们激活这两个自旋之间的相互作用时，两个量子比特可以来回转换它们的量子态。当一个自旋跃迁到基态时，另一个自旋同时跃迁到激发态，反之亦然。

“在我们小组和其他地方进行过几次依赖于相干自旋光子相互作用的光谱测量之后，我们首次观察到了时域振荡，”Vandersypen说。“量子比特相互作用的时域控制构成了涉及远距离自旋的量子逻辑的基础，并扩展了自旋量子比特寄存器的片上网络。”

这项研究的成果凸显了使用超导谐振器实现远距离自旋量子比特之间相干相互作用的前景。Vandersypen 和他的同事希望他们提出的方法将有助于未来开发可扩展的片上自旋量子比特网络，进而可用于创建性能更好的量子计算机。

“在观察到由虚拟光子介导的两个自旋之间的时域振荡之后，我们下一步的目标是研究谐振器中每个自旋与真实光子之间的时域振荡，以真空拉比振荡的形式，”Vandersypen补充道。“最终，我们希望实现建立量子比特寄存器网络。”

原文链接：

https://phys.org/news/2025-01-domain-oscillations-distant-semiconductor-qubits.html

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