Si FinFET中的双量子比特系统。a，共制装置的伪彩色透射电子显微镜图像，显示沿翅片的横截面。 b，该装置的三维渲染图，说明了被环绕栅门覆盖的三角形鳍片。c，接近（1,1）–（0,2）电荷跃迁的双自旋能级图，有（黑色）和没有（橙色）相互作用。d，交换两个量子比特的自旋漏斗测量值。图片来源：Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02481-5
来自巴塞尔大学和NCCR SPIN的研究人员在传统硅晶体管中实现了两个空穴自旋量子比特之间的首次可控相互作用。这一突破开辟了使用成熟的制造工艺在单个芯片上集成数百万个量子比特的可能性。
构建实用量子计算机的竞赛正在进行中。世界各地的研究人员正在研究各种各样的量子比特技术。到目前为止，对于哪种类型的量子比特最适合最大限度地发挥量子信息科学的潜力还没有达成共识。
量子比特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，他们必须可靠地存储和快速处理信息。快速信息处理的基础是大量量子比特之间的稳定和快速交互，这些量子比特的状态可以从外部可靠地控制。
为了使量子计算机实用，必须在单个芯片上容纳数百万个量子比特。当今最先进的量子计算机只有几百个量子比特，这意味着它们只能执行在传统计算机上已经可能（而且通常更有效）的计算。
电子和空穴为了解决排列和链接数千个量子比特的问题，巴塞尔大学和NCCR SPIN的研究人员依赖于一种使用电子或空穴的自旋（固有角动量）的量子比特。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：向上或向下，类似于经典比特中的 0 和 1。与电子自旋相比，空穴自旋的优点是可以完全电控，而无需芯片上的微磁体等额外组件。
早在 2022 年，巴塞尔物理学家就能够证明现有电子设备中的空穴自旋可以被捕获并用作量子比特。这些“FinFET”（鳍片场效应晶体管）内置于现代智能手机中，并在广泛的工业流程中生产。现在，由Andreas Kuhlmann博士领导的团队首次成功地实现了该设置中两个量子比特之间的可控相互作用。
快速精确的控制旋转翻转量子计算机需要“量子门”来执行计算。这些表示操作量子比特并将它们相互耦合的操作。正如研究人员在《自然物理学》（Nature Physics）杂志上报道的那样，他们能够耦合两个量子比特，并根据另一个量子比特的自旋状态，对其中一个量子比特进行受控翻转，这被称为受控自旋翻转。
“空穴自旋使我们能够创建既快速又高保真的双量子比特门。这一原理现在也使得耦合更多的量子比特对成为可能，“Kuhlmann说。
两个自旋量子比特的耦合基于它们的交换相互作用，这种相互作用发生在两个不可区分的粒子之间，这些粒子以静电方式相互作用。令人惊讶的是，空穴的交换能不仅具有电可控性，而且具有很强的各向异性。这是自旋轨道耦合的结果，这意味着空穴的自旋状态受到其在空间中运动的影响。
为了在模型中描述这一观察结果，巴塞尔大学的实验和理论物理学家以及NCCR SPIN联合起来。“各向异性使双量子比特门成为可能，而无需在速度和保真度之间进行通常的权衡，”Kuhlmann博士说。
“基于空穴自旋的量子比特不仅利用了久经考验的硅芯片制造，而且还具有高度可扩展性，并且在实验中被证明是快速和强大的。该研究强调，这种方法在开发大规模量子计算机的竞赛中具有很大的机会。
更多信息：Simon Geyer 等人，两个空穴自旋量子比特的各向异换相互作用，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02481-5
期刊信息： Nature Physics
