关于硅量子计算机，目前已经证实少量的量子比特就可获得高性能，因此今后的发展备受关注。然而，只有在最近邻的量子位中的量子比特间，量子连接所必须的直接耦合才能起作用，所以不相邻的量子位之间的量子连接技术就成为了量子计算大规模化时面临的一个重要课题。由日本理化学研究所（简称“理研”）创发物性科学研究中心量子功能系统研究组的基础科学特别研究员野入亮人、研究员武田健太、研究组长樽茶清悟，以及荷兰QuTech研究所等组成的国际联合研究团队通过使用量子点器件中的电子自旋，实现了不相邻的两个量子比特之间的量子连接。此举为解决使用硅量子点的量子计算机的一大课题——大规模化提供了新技术，今后研究团队将加速研发。相关论文已经发表在《Nature Communications》上。
图1利用单电子自旋穿梭实现的不相邻硅量子处理器间的量子连接方法（供图：理化研究所）
在三个门电极（P1、P2、P3）的正下方形成三个量子点。用脉冲控制施加在这些门电极上的电压，会出现单电子自旋穿梭。绿色的门电极可用于调节相邻量子点之间的交换耦合。红蓝箭头分别表示量子比特1、Q1和量子比特2、Q2， Q2在右边和中间的量子点之间移动，Q1始终被限制在左边的量子点中。只有Q2在中间的量子位时，才会发生量子位之间有限的交换耦合。
此次的国际联合研究团队在硅3重量子点中相隔的两个量子比特中，使用单电子自旋穿梭实现了两个量子比特的操作。
量子点结构是在硅自旋量子计算机通常使用的应变硅/硅锗量子阱基板上实施微细加工制作的。通过对由3层构成的微细铝门电极施加正电压，可以在量子阱中通过电场感应出电子，以高自由度形成并控制量子点。样品是理研的研究小组在QuTech的研究小组制作的高品质量子阱基板上实施微细加工制作而成的。
在实验中，首先将电子逐个限制在两端的量子点内，并评估它们之间的交换耦合。由于交换耦合相对于量子比特间的距离呈指数衰减，因此假设相隔一个量子点的量子比特之间的交换耦合小到可以忽略不记。实际上，当利用一个量子比特的相位根据另一个量子比特的方向随时间演化这一点来评估交换耦合时，得到了900赫兹的值。
这一数值与量子比特的操作速度相比还不到1/1000，可以确认，相隔一个量子点的交换耦合的大小可以忽略不记。此外该结果还表明，如果量子比特之间隔开一个以上的量子点，则可以作为完全独立的两个量子比特工作。
研究团队接着又进行了单电子自旋穿梭的性能评价。在左边和中间的量子点之间重复电子自旋的穿梭，评价自旋的方向和相位的保持情况。先准备了向上或向下的自旋，重复穿梭之后，测定最终自旋方向朝上的概率。自旋方向向上的概率相对于穿梭次数呈指数衰减，由此得到平均每次穿梭自旋反转的概率为0.03％。
对相位也用同样的方法进行了评价，结果是平均每次穿梭的相位相干性损失为0.4％。这些性能比此前在相邻量子点之间的电子自旋穿梭实验结果要好，表示有可能以很小的误差穿梭多个量子点，从而实现长距离连接。
接下来研究团队评估了当量子比特2分别位于中间和右边的量子点时，量子比特1和量子比特2之间交换耦合的差异。结果发现，通过调整操作条件，相邻量子位之间可以获得最大约10兆赫的耦合。根据这一结果，确认了能够通过穿梭接通或断开交换耦合，最后利用穿梭进行了两个量子比特的操作。
在制作的样品中，在量子点的正上方制作了微型磁铁，在磁场作用下，每个量子点之间的塞曼能量存在较大差异。 在这种情况下，交换耦合使反平行的两个自旋态的能量稳定为交换耦合的一半，因此，如果交换耦合在脉冲作用下只开启一段时间，量子比特会根据该状态获得不同的相位，再使其与单一量子比特操作组合，就能进行控制相位操作。
实际进行控制相位操作并采用随机化基准法评估操作保真度，测得操作保真度为93％。研究人员认为，操作保真度较低并不是穿梭导致的，而是受到了操作中的相位缓和的限制，因此，通过优化包括样品设计在内的操作条件，可以将操作保真度提高到99％以上，达到实用水平。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：《Nature Communications》
标题：A shuttling-based two-qubit logic gate for linking distant silicon quantum processors
DOI：10.1038/s41467-022-33453-z
