Логика на двух кубитах и телепортация с подвижными спиновыми кубитами в кремнии

Перенос информации без проводов

По мере роста квантовых компьютеров подключение множества мелких квантовых битов, не захламляя их проводкой и шумом, становится серьёзной проблемой. В этом исследовании показан новый способ, при котором сами кубиты перемещаются по кремниевой пластине, кратко встречаются для обмена, а затем снова разлетаются, сохраняя при этом свою хрупкую квантовую информацию в основном нетронутой. Тот же приём даже позволяет телепортировать информацию из одного места в другое без перемещения частицы на всё расстояние.

Почему важны подвижные кубиты

Большинство современных квантовых чипов фиксируют каждый кубит на месте и позволяют взаимодействовать только соседним. Это затрудняет связь удалённых кубитов и требует сложных компоновок и линий управления. Команда авторов работы изучает альтернативу: подвижные кубиты, когда одиночные электроны с квантовой информацией перемещаются внутри движущихся электрических «карманов» на кремниевом чипе. Перетаскивая эти электроны между зонами хранения и специальными областями взаимодействия, процессор мог бы перенастраиваться на ходу, адаптироваться к разным схемам коррекции ошибок и более эффективно разделять ресурсы по всему чипу.

Как работает кремниевый конвейер

Исследователи создали устройство с шести крошечными ловушками для электронов, известными как квантовые точки, в сверхчистой структуре кремний–германий. Окружающие металлические затворы формируют и управляют этими ловушками с помощью тщательно синхронизированных напряжений. Наложением фазосмещённых синусоид на последовательность затворов они генерируют плавную движущуюся волну электрического потенциала, похожую на конвейер для электронов. Два электрона, каждый из которых кодирует кубит в своём спине, загружаются из удалённых точек в отдельные движущиеся «карманы». По мере работы конвейера эти карманы несут электроны к центру чипа, где их квантовые «облака» могут накладываться и позволять спинам взаимодействовать.

Настройка силы взаимодействия и качества вентили

Когда два движущихся электрона сближаются, их спины испытывают обменное взаимодействие, сила которого чувствительно зависит от степени перекрытия их волновых функций и от высоты барьера между ними. Меняя как расстояние при переносе, так и ключевое барьерное напряжение, команда картирует, как это взаимодействие растёт, достигает максимума и даже насыщается в разных режимах. Они также отслеживают, как долго движущиеся кубиты сохраняют фазовую когерентность. Интересно, что движение может усреднять некоторые типы шума, так что когерентность при перемещении иногда превосходит когерентность «припаркованных» кубитов. Используя эти наблюдения, они выделяют оптимальную точку, где взаимодействие достаточно сильно для быстрой операции, но спины остаются когерентными достаточно долго, чтобы завершить двухкубитный логический вентиль.

Быстрая логика между удалёнными движущимися кубитами

В этой рабочей точке команда реализует вентиль controlled-Z, базовый строительный блок квантовых алгоритмов. Конвейер сначала загружает электроны из их статических точек в движущиеся карманы, быстро сближает их, замедляет, чтобы позволить им взаимодействовать в течение тщательно сформированного времени, а затем возвращает их в исходные расположения. Вентиль длится всего около 58 миллиардных долей секунды, в течение которых спины не покидают защиту своих движущихся ловушек. С использованием стандартного метода бенчмаркинга, сравнивающего случайные последовательности с вентилем и без него, эксперимент достигает средней точности controlled-Z около 99 процентов — на уровне передовых статических кремниевых устройств, но теперь достигнутой между кубитами, которые стартуют на расстоянии в сотни нанометров друг от друга.

Телепортация квантовых состояний по чипу

Чтобы показать, что подвижные спины поддерживают не только локальную логику, исследователи используют их для телепортации квантового состояния от одного удалённого кубита к другому. Сначала два удалённых кубита запутывают с помощью вентили на основе перетаскивания. Затем один из них совместно измеряют с третьим кубитом особым образом, что в зависимости от результата проецирует исходное состояние на дальнего партнёра. Поскольку их измерение чётности не может различать все возможные исходы, команда постселектирует успешные случаи, как во многих оптических экспериментах. После коррекции на ошибки подготовки и измерения средняя точность телепортированного состояния достигает примерно 87 процентов, что с запасом превышает лучшее, чего могла бы добиться любая классическая схема.

Что это значит для будущих квантовых чипов

Эта работа демонстрирует, что высококачественная двухкубитная логика и квантовая телепортация возможны с подвижными спиновыми кубитами в кремнии. Вместо того чтобы прокладывать всё более плотную проводку вокруг фиксированных кубитов, будущие процессоры могли бы полагаться на общие конвейерные «магистрали», перевозящие электроны между разреженными зонами хранения и хорошо управляемыми областями взаимодействия. В таких конструкциях задачи вроде коррекции ошибок или подготовки специальных состояний могли бы выполняться в выделенных областях, а результаты телепортировались или перетаскивались туда, где они нужны. Хотя превращение этой идеи в крупные, полностью детерминированные машины потребует удлинения конвейеров, параллельных каналов и более быстрой съёмки показаний, проведённые здесь эксперименты демонстрируют, что подвижные кубиты — практичный и мощный элемент для масштабируемых, перенастраиваемых квантовых вычислений.

Цитирование: Matsumoto, Y., De Smet, M., Tryputen, L. et al. Two-qubit logic and teleportation with mobile spin qubits in silicon. Nature 653, 391–397 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10423-9

Ключевые слова: квантовые вычисления, спиновые кубиты, кремниевые квантовые точки, квантовая телепортация, подвижные кубиты