在硅中使用可移动自旋量子比特实现双比特逻辑与量子态传输

在不移动连线的情况下传输信息

随着量子计算机规模的扩大，如何在不使其被大量连线和噪声淹没的情况下连接众多微小量子比特成为一大挑战。这项研究展示了一种新方法，允许量子比特自身在硅芯片上移动，短暂相遇进行交流，然后再次分离，同时尽量保持其脆弱的量子信息不被破坏。同样的技巧还能在粒子本身并未行经全程的情况下，将信息从一处瞬移到另一处。

为何可移动量子比特重要

当今大多数量子芯片让每个量子比特固定在原位，只允许相邻比特相互作用。这使得连接远处的量子比特变得困难，并需要复杂的布局和控制线路。该团队探索了另一种方案：可移动量子比特，即单个携带量子信息的电子在硅芯片上的移动电势“口袋”中被运送。通过将这些电子在存储区与专门的相互作用区之间穿梭，处理器能够按需重新接线，适应不同的差错纠正方案，并更高效地在芯片上共享资源。

硅制传送带如何工作

研究者构建了包含六个微小电子阱的器件，这些电子阱称为量子点，位于超洁净的硅-锗结构中。周围的金属门极通过精确计时的电压创建并操控这些阱。对一系列门极施加有相位差的正弦波，就能产生平滑的行进电势波，类似于电子的传送带。两个分别以自旋编码量子比特的电子从远端的量子点被装载到独立的移动口袋中。随着传送带运行，这些口袋将电子带向芯片中心，使它们的量子“云”能够重叠并允许自旋发生相互作用。

调节相互作用强度与门质量

当两个移动的电子接近时，它们的自旋会感受到一种依赖于波函数重叠程度和之间势垒高度的交换相互作用。通过改变运输距离与关键的势垒电压，团队绘制出该相互作用如何增长、达到峰值甚至在不同区间饱和的图谱。他们还追踪了移动量子比特保持相位相干的时长。有趣的是，运动可以平均掉某些类型的噪声，因此在搬运过程中的相干性有时会优于停驻态量子比特。基于这些见解，他们确定出一个最佳工作点：在该点相互作用足够强以实现快速操作，同时自旋保持足够的相干性以完成双量子比特逻辑门。

在遥远移动量子比特之间实现快速逻辑

在该工作点上，团队实现了受控-Z门，这是量子算法的基本构件。传送带先将电子从静态量子点装入移动口袋，快速将它们靠近，减速以在精心控制的时间内让它们相互作用，然后再将它们返回到原来的位置。该门仅持续约58纳秒，在此期间自旋始终处于其移动阱的保护之下。通过一种标准基准测试方法，将含或不含该双量子比特门的随机序列进行比较，实验获得了约99%的受控-Z平均保真度，这与领先的固定量子比特硅器件相当，但这里实现的是在始于数百纳米距离的量子比特之间完成的操作。

在芯片上瞬移量子态

为证明移动自旋不仅能支持局部逻辑，研究者用它们将一个量子态从一个远端量子比特瞬移到另一个。首先，通过基于搬运的门让两个远端量子比特纠缠。然后其中一个与第三个量子比特做联合测量——根据测量结果，这一过程会将原始状态投影到远处的搭档上。由于他们的奇偶测量无法区分所有可能的结果，团队对成功的情形进行了事后筛选，类似许多光学实验。在修正了制备与测量误差后，瞬移态的平均保真度达到了约87%，明显高于任何经典方案的最佳上限。

对未来量子芯片的意义

这项工作表明，利用硅中移动自旋量子比特可以实现高质量的双比特逻辑和量子瞬移。未来的处理器或许无需在固定量子比特周围编织越来越密的布线，而是依赖共享的传送“高速公路”在稀疏的存储区与受控的相互作用区之间运送电子。在这种设计中，诸如差错纠正或特殊状态制备等任务可在专用区域完成，并将结果瞬移或搬运到所需位置。尽管要把这一想法发展成大型、完全确定性的机器还需要更长的传送带、并行通道和更快的读出，但这里的实验展示了可移动量子比特是可扩展且可重构量子计算的实用且有力的组成部分。

引用: 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

关键词: 量子计算, 自旋量子比特, 硅量子点, 量子瞬移, 可移动量子比特