澳洲团队实现电信号控制的新型硅量子比特

光子盒研究院出品

近日，新南威尔士大学悉尼分校(UNSW)团队展示了一种新型的硅量子比特[1]——触发器(flip-flop)量子比特，它可以促进大规模量子计算机的构建。

Tim Botzem博士、Andrea Morello教授和Rostyslav Savytskyy博士在UNSW的量子计算实验室。

单原子量子比特的电信号控制

Andrea Morello教授领导的团队刚刚演示了一种新型量子比特的操作：触发器量子比特，它结合了单原子的量子特性、使用电信号就能轻松控制。

“有时，新的量子比特，或新的操作模式，是在幸运的‘意外’中发现的。但此次新的量子比特完全是设计出来的。”Morello教授说[2]：“我们小组在十年前就已经拥有了优秀的量子比特，但我们想要的是可以用电控制的东西，以便最大限度地方便操作。因此，我们必须发明一些全新的东西。”

Morello教授的小组是世界上首个证明利用电子自旋以及硅中单个磷原子的核自旋作为量子比特的单位。他解释说，虽然这两种量子比特本身的性能都非常好，但它们的运行需要振荡磁场(oscillating magnetic fields)的支持。“磁场在纳米尺度上很难定位，而这正是单个量子计算机组件的典型尺寸。这就是为什么第一个关于硅量子比特的提案设想将所有的量子比特放置在统一的振荡磁场中；应用于整个芯片，然后使用局部电场来选择哪个量子比特被操作。”

几年前，Morello教授团队意识到：通过将量子比特定义为电子和原子核的上-下/下-上组合方向，将允许仅使用电场来控制这种量子比特。如今的成果证实了这一设想，论文的主要实验作者之一Rostyslav Savytskyy博士说：“这种新的量子比特被称为‘触发器’量子比特，因为它们由属于同一个原子的两个自旋：电子和核自旋组成，并且，它们总指向相反的方向。”

“例如，如果|0⟩状态是‘电子-下/核-上’，|1⟩状态是‘电子-上/核-下’，从|0⟩变为|1⟩意味着电子 ‘翻转’向上，核‘翻转’向下。因此而得名！”理论预测，通过使电子相对于原子核发生位移，可以对触发器量子比特的任意量子状态进行编程。

触发器量子比特

“我们的实验以完美的精确度证实了这一预测，”另一位主要实验作者Tim Botzem博士说：“最重要的是，这样的电子位移仅仅通过对一个小的金属电极施加电压而获得，而不是用一个振荡磁场来照射芯片。这是一种更接近于传统硅计算机芯片内电信号的方法，正如我们每天在计算机和智能手机中使用的那样。”

有望应用于大型量子处理器

通过将电子从原子核上移开来实现对触发器量子比特的电控，伴随着一个非常重要的副作用：当负电荷（电子）从正电荷（原子核）上移开时，会形成一个电偶极；将两个（或更多）电偶极放在彼此的附近，会在它们之间产生强烈的电耦合，这可以介导多量子比特的量子逻辑操作——这种操作是进行有用的量子计算所必要的。

连贯的电驱动。数据清楚地显示了触发器量子比特的动态：即随着电驱动信号的逐步应用，两个自旋的方向多次互换。

Morello教授说：“在硅中耦合自旋量子的标准方法是将电子放置在彼此非常接近的地方，使它们有效地‘接触’。”

“这需要将量子比特放置在间距为几十纳米的网格上；这样做的工程挑战是相当严峻的。相比之下，电偶极不需要‘接触’：它们从远处相互影响。我们的理论表明，200纳米是实现快速、高保真量子操作的最佳距离。”

最后，Morello教授表示：“这可能将是一个改变游戏规则的发展。因为200纳米的距离足以允许在量子比特之间插入各种控制和读出设备，使处理器更容易接线和操作。”

参考链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add9408

[2]https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/flip-flop-qubit-realisation-new-quantum-bit-silicon-controlled-electric-signals

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