2x4 量子点芯片的假色扫描电子显微镜图像（顶视图）。图片来源：Nature Nanotechnology （2024）。DOI： 10.1038/s41565-024-01817-9

能够精确操纵量子系统中的相互作用自旋对于开发可靠且高性能的量子计算机至关重要。事实证明，这对于具有许多基于量子点的自旋的纳米级系统（即微小的半导体器件）来说尤其具有挑战性。

代尔夫特理工大学 （TU Delft） 的研究人员最近演示了具有四个单重态-三重态量子比特的基于量子点的系统的通用控制。他们的论文发表在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology） 上，可能为成功扩大量子信息处理系统规模开辟新的可能性。

“我们最初试图调整和校准 4x2 量子点阵列中所有相邻自旋之间的交换交互，每个点加载一个自旋，”该论文的资深作者 Lieven Vandersypen 告诉 Phys.org。

“我们使用时域测量来做到这一点，在某个时候，我们意识到我们有效地实现了对四个所谓的单重态-三重态量子比特（两个自旋的联合状态）的通用控制。接下来，我们付出了巨大的努力，仔细地对量子运算进行基准测试，并在量子比特阵列中创建纠缠。

在这项研究之前，量子物理学家和工程师已经能够实现对具有多达两个相互作用的单重态-三重态量子比特的系统进行通用控制。因此，Vandersypen 和他的同事们是第一个实现对具有四个单重态-三重态量子比特的更大的基于量子点的系统进行控制的人。

“我们系统中的每个量子比特都由两个自旋组成，单量子比特操作可以通过基带电压脉冲进行控制，”Vandersypen 解释说。“这些切换两个不同值之间的自旋-自旋交换交互，对应于两个不同的量子比特旋转轴。对于双量子比特门，我们也使用门电压脉冲激活属于不同量子比特的自旋之间的交换耦合。

四个单重态-三重态量子比特的通用单量子比特控制。图片来源：Nature Nanotechnology （2024）。DOI： 10.1038/s41565-024-01817-9

研究人员的系统由一个 2 x 4 的锗量子点阵列组成，形成一个量子点阶梯。通过控制沿该梯级的每对自旋之间的交换交互，他们最初绘制出系统的量子比特能谱。

随后，该团队通过脉冲相应双量子点的失谐和隧穿势垒，实现了对系统中每个量子比特的通用控制。通过同时控制相邻量子比特的这两个屏障，他们最终获得了一个量子门，该门可以在一对量子比特之间交换信息（即双量子比特 SWAP 式门）。

“在操作这个设备时，所有八个自旋都参与了量子相干时间演化，这是迄今为止半导体量子点阵列中最多的，”Vandersypen 补充道。“我们的研究结果还突出了单重态-三重态量子比特的潜力。虽然单量子比特操作已经非常可靠，保真度超过 99%，但关键的下一步是证明双量子比特门也可以以高于 99% 的保真度执行。

Vandersypen 和他的同事最近的这项工作引入了一种很有前途的方法，可以实现对具有四个单重态-三重态量子比特的基于锗量子点的系统进行通用控制。将来，这种方法可以进一步改进，以精确操纵更大的纳米级量子系统。

对这些系统的精确操纵可以使物理学家可靠地模拟复杂的物理现象，包括量子磁性。此外，它可以为更先进的量子信息系统的开发提供信息。

更多信息：Xin Zhang 等人，四个单重态-三重态量子比特的通用控制，Nature Nanotechnology （2024）。DOI： 10.1038/s41565-024-01817-9

期刊信息： Nature Nanotechnology