实验为一块芯片上的数百万量子比特打开了大门

瑞士巴塞尔大学和NCCR SPIN的研究人员在常规硅晶体管中实现了两个空穴自旋量子位之间的首次可控相互作用。这一突破打开了利用成熟制造工艺在单片上集成数百万个这些量子位的可能性。

目前，全球各地的研究人员正在努力构建实用的量子计算机。他们正在使用各种各样的量子位技术。迄今为止，对于最适合最大限度发挥量子信息科学潜力的量子位类型尚无定论。

量子位是量子计算机的基础：它们处理数据的处理、传输和存储。为了正常工作，它们必须能够可靠地存储和快速处理信息。快速信息处理的基础是一个大量的量子位之间稳定且快速的相互作用，其状态可以从外部可靠地控制。

要使量子计算机变得实用，必须在单片上容纳数百万个量子位。如今最先进的量子计算机仅具有数百个量子位，这意味着它们只能执行在传统计算机上已经可以（而且通常更有效）执行的计算。

为了解决安排和链接数千个量子位的问题，巴塞尔大学和NCCR SPIN的研究人员依靠一种使用电子或空穴自旋（内禀角动量）的量子位。空穴本质上是半导体中缺失的电子。空穴和电子都具有自旋，可以采用两种状态之一：上或下，类似于经典比特中的0和1。与电子自旋相比，空穴自旋的优势在于它可以完全由电子控制，无需芯片上的微磁铁等附加组件。

2022年初，巴塞尔的物理学家就已经能够证明现有电子设备中的空穴自旋可以被困住并用作量子位。现代智能手机中内置的FinFET（鳍场效应晶体管）就是这种装置，并且是通过广泛的工业过程生产的。现在，由Andreas Kuhlmann博士领导的团队首次成功实现了在此设置内部两个量子位之间的可控相互作用。

量子计算机需要“量子门”来执行计算。这些门代表操作，可以操作量子位并将它们耦合在一起。研究人员在《自然物理》杂志上报告说，他们能够耦合两个量子位，并根据另一个量子位的状态实现对其中一个自旋的受控翻转，即所谓的受控自旋翻转。“空穴自旋使我们能够创建既快速又高保真度的双量子门。这一原理现在也使得耦合更多量子对成为可能，”Kuhlmann表示。

两个自旋量子位的耦合基于它们之间的交换相互作用，该作用发生在两个相互作用的不可区分粒子之间。令人惊讶的是，空穴的交换能量不仅可以被电控制，而且强烈各向异性。这是自旋轨道耦合的结果，这意味着空穴的自旋状态受其在空间中运动的影响。

为了描述这一观察结果，巴塞尔大学和NCCR SPIN的实验和理论物理学家联手进行了模拟。“这种各向异性使得双量子门在速度和保真度之间不再需要通常的权衡，”Kuhlmann博士总结说。

“基于空穴自旋的量子位不仅利用了硅片的成熟制造工艺，而且在实验中已经被证明是快速且稳健的。”该研究强调了这种方法在发展大规模量子计算机的竞赛中具有很强的竞争力。