關於硅量子電腦，目前已經證實少量的量子位元就可獲得高性能，因此今後的隊形變換備受關注。然而，只有在最近鄰的量子位中的量子位元間，量子連接所必須的直接耦合才能起作用，所以不相鄰的量子位之間的量子連接技術就成爲了量子計算大規模化時面臨的一個重要課題。由日本理化學研究所（簡稱「理研」）創發物性科學研究中心量子功能系統研究組的基礎科學特別研究員野入亮人、研究員武田健太、研究組長樽茶清悟，以及荷蘭QuTech研究所等組成的國際聯合研究團隊透過使用量子點器件中的電子自旋，實施了不相鄰的兩個量子位元之間的量子連接。此舉爲解決使用硅量子點的量子電腦的一大課題——大規模化提供了新技術，今後研究團隊將加速研發。相關論文已經發表在《Nature Communications》上。
圖1利用單電子自旋穿梭實施的不相鄰硅量子處理器間的量子連接方法（供圖：理化研究所）
在三個門電極（P1、P2、P3）的正下方形成三個量子點。用脈衝控制施加在這些門電極上的電壓，會出現單電子自旋穿梭。綠色的門電極可用於調節相鄰量子點之間的交換耦合。紅藍箭頭分別表示量子位元1、Q1和量子位元2、Q2， Q2在右邊和中間的量子點之間行程，Q1始終被侷限在左邊的量子點中。只有Q2在中間的量子位時，才會發生量子位之間有限的交換耦合。
此次的國際聯合研究團隊在硅3重量子點中相隔的兩個量子位元中，使用單電子自旋穿梭實施了兩個量子位元的操作。
量子點結構是在硅自旋量子電腦通常使用的應變硅/硅鍺量子井基底層上實施微細加工製作的。透過對由3層構成的微細鋁門電極施加正電壓，可以在量子井中透過電場感應出電子，以高自由度形成並控制量子點。樣品是理研的研究小組在QuTech的研究小組製作的高品質量子井基底層上實施微細加工製作而成的。
在實驗中，首先將電子逐個侷限在兩端的量子點内，並評估它們之間的交換耦合。由於交換耦合相對於量子位元間的距離呈指數衰減，因此假說相隔一個量子點的量子位元之間的交換耦合小到可以忽略不記。實際上，當利用一個量子位元的相根據另一個量子位元的方向隨時間演化這一點來評估交換耦合時，得到了900赫茲的值。
這一數值與量子位元的操作速度相比還不到1/1000，可以應答，相隔一個量子點的交換耦合的大小可以忽略不記。此外該結果還表明，如果量子位元之隔膜開一個以上的量子點，則可以作爲完全獨立的兩個量子位元工作。
研究團隊接着又進行了單電子自旋穿梭的性能評價。在左邊和中間的量子點之間重複電子自旋的穿梭，評價自旋的方向和相的保持情況。先準備了向上或向下的自旋，重複穿梭之後，測定最終自旋方向朝上的機率。自旋方向向上的機率相對於穿梭次數呈指數衰減，由此得到平均每次穿梭自旋反轉的機率爲0.03％。
對相也用同樣的方法進行了評價，結果是平均每次穿梭的相相干性有效能損失爲0.4％。這些性能比此前在相鄰量子點之間的電子自旋穿梭實驗結果要好，表示有可能以很小的誤差穿梭多個量子點，從而實施長距離連接。
接下來研究團隊評估了當量子位元2分別位於中間和右邊的量子點時，量子位元1和量子位元2之間交換耦合的差異。結果發現，透過調整操作條件，相鄰量子位之間可以獲得最大約10兆赫的耦合。根據這一結果，應答了能夠透過穿梭接通或斷開交換耦合，最後利用穿梭進行了兩個量子位元的操作。
在製作的樣品中，在量子點的正上方製作了微型磁鐵，在磁場作用下，每個量子點之間的塞曼能量存在較大差異。 在這種情況下，交換耦合使反平行的兩個自旋態的能量穩定爲交換耦合的一半，因此，如果交換耦合在脈衝作用下只開啓一段時間，量子位元會根據該狀態獲得不同的相，再使其與單一量子位元操作組合，就能進行控制相操作。
實際進行控制相操作並採用隨機化基準法評估操作保真度，測得操作保真度爲93％。研究人員認爲，操作保真度較低並不是穿梭導致的，而是受到了操作中的相緩和的侷限，因此，透過最適化包括樣品設計在内的操作條件，可以將操作保真度提高到99％以上，達到實用水平。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：《Nature Communications》
標題：A shuttling-based two-qubit logic gate for linking distant silicon quantum processors
DOI：10.1038/s41467-022-33453-z
