Nat. Phys.：融合了超导和半导体技术的“完美”量子比特

光子盒研究院出品

半导体中的自旋量子比特是生产高度可扩展的量子计算设备的一个有希望的平台。然而，要在较长的距离上实现多量子比特的相互作用是很困难的。
近期，来自QuTech（代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究组织TNO合作）的研究人员以一种关键的方式改进了所谓的“安德烈夫(Andreev)自旋量子比特”，并认为它可以成为追求完美量子比特的主要候选者。与以前的版本相比，这种新型的量子比特是通过结合其他两种类型的量子比特的优点，以一种更可靠和内在稳定的方式创造出来。他们在《自然·物理学》上发表了他们的工作。

5月22日，研究成果以《直接操纵强耦合到transmon量子比特的超导自旋量子比特(Direct manipulation of a superconducting spin qubit strongly coupled to a transmon qubit)》为题，发表在《自然·物理学》上。

与传统计算机的世界不同、其中的比特是基于非常成熟和可靠的技术；现在，完美的量子比特还没有被发明出来。未来的量子计算机是否会包含基于超导transmon量子比特、硅中的自旋量子比特、金刚石中的NV色心，或者其他一些量子现象的量子比特？
每种类型的量子比特都有各自的优势和劣势。一种更稳定、另一种有更高的保真度，而其他的则更容易大规模生产。如今，完美的量子比特并不存在。

在这项工作中，来自QuTech的研究人员与国际合作者一起对现有技术进行了巧妙的组合，以存储量子信息。

混合超导体-半导体纳米线中的安德烈夫自旋量子比特的示意图。该量子比特在一个具有奇数电子的门控量子点中形成，并与超导导线相耦合。
共同第一作者Marta Pita-Vidal解释说：“最有希望的两种量子比特类型是半导体中的自旋量子比特和超导电路中的transmon量子比特。然而，每种类型都有其自身的挑战。”
“例如，”Pita-Vidal继续说：“自旋量子比特很小、与目前的工业技术兼容，但它们在长距离的互动方面很困难；另一方面，transmon量子比特可以在长距离内被有效地控制和读出，但它们有一个内在的操作速度限制，而且相对较大。”

这项研究的研究人员旨在通过开发一种结合这两种类型的量子比特的混合架构来利用它们的优势。
“在我们的实验中，我们设法使用微波信号直接操纵了量子比特的自旋，”另一位共同第一作者Arno Bargerbos说：“最终，我们实现了非常高的‘拉比频率’，这是衡量控制量子比特的速度的一个标准。接下来，我们将这个‘安德烈夫(Andreev)自旋量子比特’嵌入到一个超导transmon量子比特中，这使得我们能够快速测量量子比特的状态。”
研究人员表征了安德烈夫自旋量子比特的相干时间——这是衡量该量子比特能保持多久的一个标准。他们观察到，其“寿命”受周围材料的磁场影响。
“最后，”Bargerbos说：“我们首次证明了自旋量子比特和超导量子比特之间的直接强耦合，这意味着我们可以让这两个量子比特以一种可控的方式相互作用。”这表明，安德烈夫自旋量子比特可以成为基于完全不同的量子比特技术（半导体自旋量子比特和超导量子比特）的量子处理器互联的关键元素。

相干的ASQ-transmon 耦合

该项研究，是迈向混合架构的关键一步，并有望融合了超导和半导体量子比特的有益方面。
不过，首席研究员Christian Andersen表示：“目前的安德烈夫自旋量子比特还不完美。它仍然需要证明多量子比特操作——这是通用量子计算机所需要的。”
“它的相干时间也是次优的。这可以通过使用另一种材料来改善。幸运的是，此次量子比特的可扩展性与半导体量子比特相当，这提高了我们能够达到使量子算法成为限制性因素而不是量子硬件的希望。”
参考链接：[1]https://qutech.nl/2023/05/22/new-qubit-from-delft-is-more-stable-and-prime-candidate-for-universal-quantum-computer/?cn-reloaded=1[2]https://phys.org/news/2023-05-stable-qubit-prime-candidate-universal.html[3]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02071-x

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