一种新型量子比特为量子计算机大规模扩展带来希望

光子盒研究院出品

量子比特是量子计算机处理和存储信息的基本构件。现在，物理学家已经制造了一种新型的量子比特，它可以从稳定的空闲模式切换到快速计算模式。这个概念可以将大量的量子比特组合成一台强大的量子计算机。瑞士巴塞尔大学和荷兰埃因霍温理工大学的研究人员将论文发表在《自然纳米技术》上。

与经典比特相比，量子比特要脆弱得多，而且会很快丢失信息内容。因此，量子计算面临的挑战是保持敏感量子比特在长时间内稳定，同时找到执行快速量子操作的方法。现在，来自巴塞尔大学和埃因霍温理工大学的团队开发出了一种可切换的量子比特，可以让量子计算机同时做到这两点。

这种新型量子比特具有稳定但缓慢的状态，适合存储量子信息。同时，研究人员也能够通过施加电压将量子比特切换到更快但不太稳定的操作模式。在这种状态下，量子比特可以用来快速处理信息。

由锗和硅(蓝色/绿色)制成的纳米线位于被称为栅极(金色)的电极上。施加到栅极的电压导致单个自旋量子比特(蓝色和红色箭头)的形成，这些量子比特可以被微波信号(蓝色脉冲)操纵。在一种模式下，量子比特很慢，量子信息更稳定(蓝色自旋)。在另一种情况下，量子比特可以执行快速操作(红色自旋)。

在他们的实验中，研究人员以“空穴自旋”的形式创建了量子比特，当一个电子被有意地从半导体中移除时，就会形成这些空穴，产生的空穴有一个自旋，可以存在两种状态，向上和向下，类似于经典比特中的0和1。在这种新型量子比特中，这些自旋可以通过调谐它们的共振频率选择性地耦合（例如通过光子）到其他自旋。

这种能力至关重要，因为构建一台强大的量子计算机需要有选择性地控制和互连许多单个量子比特的能力。为了降低量子计算中的错误率，可扩展性尤其必要。

研究人员使用电子开关能以创纪录的速度操纵自旋量子比特。巴塞尔大学物理系教授、项目负责人Dominik Zumbühl说:“自旋可以在一纳秒内从上到下连贯翻转，即每秒允许10亿次切换。因此，自旋量子比特技术已经接近今天经典计算机的时钟速度。”

在他们的实验中，研究人员使用了由硅和锗制成的半导体纳米线——直径20纳米，由埃因霍温理工大学制造，由于量子比特也非常小，原则上可以将数百万甚至数十亿个这样的量子比特整合到一个芯片上。

论文链接： 

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00828-6

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