在天然硅-MOS 量子点中使用相位调制实现稳健的自旋量子比特控制

让量子比特不那么脆弱

量子计算机承诺解决当今机器难以应对的问题，但其基本构件——量子比特——极其脆弱。此项研究展示了如何使一种建立在标准硅芯片工艺上的特定量子比特，对通常会扰乱其态的背景“噪声”具有更强的抵抗力。对于读者来说，这是一个窗口，表明聪明的控制技术，而不仅仅是更好的材料，能够将量子硬件推进到更接近实用化、大规模机器的方向。

在日常风格芯片上的硅量子比特

许多领先的量子原型依赖于特殊材料或超低温的超导电路。相比之下，本研究中的量子比特位于通过与现代计算处理器相同工艺在硅中蚀刻出的微小“量子点”中。每个量子点包容一个电子，其自旋（大致可视为指向上或下的微小磁箭头）存储量子信息。这种方法具有吸引力，因为它可以搭载已经为硅芯片优化的大规模工业生态系统。问题在于，标准的“天然”硅含有一小部分具有自身磁矩的原子，且周围电路会产生电噪声，这两者都会扰动电子自旋并限制其保持良好态的时间。

把噪声变成可以平均掉的东西

作者并非只通过提纯材料或不断重新校准设备来对抗噪声，而是把注意力放在如何用微波驱动量子比特上。通常，微波信号使电子自旋以受控方式摆动，从而实现逻辑操作。但当量子比特空闲且未施加信号时，环境的缓慢漂移会使其量子相位游走，抹去存储的信息。这里的关键思想是几乎始终用智能形状的微波驱动保持量子比特受控。通过精心调制微波信号的相位——即波形在时间上的相移——他们创造了一种情形，使得量子比特自然的游走倾向被持续地重新聚焦并平均掉。

构建更稳定的“受保护”量子比特

团队使用了一种称为级联连续驱动的方法，纯粹通过微波的相位调制来实现。从概念上讲，他们逐步进入新的参考“框架”，在这些框架中，量子比特看到的有效磁场打开了保护性的能隙。在第一框架中，常规的微波驱动使量子比特对其自然共振频率的小误差不那么敏感。在第二个嵌套框架中，附加的相位调制则屏蔽了驱动强度波动的影响。综合起来，这种双层保护定义了一种新的“受保护”量子比特版本，它不易被周围环境扰动。然后，研究者展示了如何通过切换调制的应用方式来执行所有必要的逻辑操作，而不放弃这种保护。

从理论到实测性能

为验证该方案，作者构建了一个带有小阵列量子点和附近电荷传感器以读取自旋态的硅器件。他们测量了在不同驱动模式下自旋受控振荡持续的时间。未受保护时，这些振荡大约在一百万分之一秒内衰减。而在相位调制驱动下，他们将寿命延长到两百微秒以上——超过一百倍的提升。当他们直接定义并操纵受保护的量子比特基时，在模拟存储和检索量子信息的测试中也观测到类似的长寿命行为。最后，使用一种称为随机基准测量的标准技术，他们评估了一大组单量子比特逻辑门的执行精度，并将传统控制与他们的新方法进行了比较。

更接近容错量子芯片

结果令人瞩目：此前大约能达到95%精度的门操作，使用受保护量子比特方案后达到了约99%，即便器件由普通、嘈杂的硅制造。该水平接近强大的纠错码所需的阈值，这些纠错码理论上可以把不完美的量子比特转化为可靠的量子计算资源。重要的是，这种性能提升无需持续反馈和重新校准，并且应当能很好地适用于由全局微波场驱动多个量子比特的架构。对非专业读者而言，核心信息是：更聪明的控制“节奏”——而不仅仅是更纯净的材料——可以使脆弱的量子比特显著更稳健，帮助缩小实验室演示与实用量子处理器之间的差距。

引用: Kuno, T., Utsugi, T., Ramsay, A.J. et al. Robust spin-qubit control in a natural Si-MOS quantum dot using phase modulation. npj Quantum Inf 12, 39 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01185-3

关键词: 硅自旋量子比特, 量子控制, 相位调制, 量子相干性, 容错量子计算