耦合自旋量子比特的射频级联读出

为何更快的量子测量很重要

量子计算机有望解决一些远超当今机器能力的问题，但前提是我们能制造出能够容纳并监控数百万个脆弱量子比特（qubit）的芯片。硅自旋量子比特——由困在硅晶体管结构中的单电子形成的小磁矩——尤其有吸引力，因为它们可以在制造现代计算处理器的同样工厂中生产。然而，一个主要瓶颈是如何快速且可靠地读出每个量子比特的态，同时又不在芯片上布满体积庞大的传感器。本文介绍了一种提升紧凑读出方法灵敏度的新途径，可能为基于标准硅工艺构建的致密、可扩展量子处理器开辟道路。

监听微小电子磁矩的新方法

大多数硅自旋量子比特寄宿在“量子点”中，即由硅芯片顶部的金属栅定义的小电子水洼。为了判断两自旋是相同方向还是相反，研究者通常将自旋信息转换为电荷差异，并用邻近的电荷传感器检测。这类传感器工作良好，但占用宝贵的面积和布线。另一种替代方法称为色散读出，它将量子点直接耦合到射频（rf）谐振电路，并从电路反射入射rf信号的细微变化中推断自旋态。在平面硅器件中，这种原位方法迄今对实际应用仍显不足。作者通过加入第三个充当片上放大器的量子点来应对这一局限，形成他们所称的射频电子级联。

将微弱信号转变为强烈级联

在他们的器件中，两个量子点承载两电子自旋量子比特，而附近的多电子量子点连接到一个电子库。该多电子量子点在电学上强耦合于其中一个量子比特点——但并非通过直接隧穿。当射频驱动使电荷在量子比特点之间来回摆动时，这种运动会微小地移动多电子量子点的能量，足以触发与库之间同步的额外电子隧穿，形成“级联”效应。谐振电路不再只感测量子比特对内部的小极化电荷，而是还能感测到与库相关的更大电荷流。这有效地将读出信号放大了超过35分贝，使团队能够在仅7.6微秒内区分电荷构型——比早期平面硅色散读出实验快两个数量级以上。

读出自旋并控制它们的相互作用

借助增强的信号，研究者展示了利用著名的泡利自旋阻塞效应进行自旋读出：某些自旋配对允许电荷在量子点之间移动，而其他配对则不允许。通过跟踪rf响应随磁场和时间的变化，他们能够区分两电子的单重态和三重态并测量一种态弛豫为另一种态的速率。随后他们不仅被动读出，还使用精心设计的电压脉冲来控制自旋间的交换相互作用，这决定了自旋如何相互影响。该控制使他们能够在广泛的相互作用强度范围内驱动不同两自旋构型之间的相干振荡，这是实现两比特量子逻辑门的关键要素。

保持量子信息的相干性

团队考察了器件中的噪声——包括栅极的电气波动和来自天然存在的硅核的微小磁场——如何限制自旋态的稳定性。他们提取了振荡衰减的特征时间，并表明即使在天然硅中，相干时间和电荷噪声也与类似工业制造器件的最佳报告值相当。通过应用一种回声式脉冲序列（在演化过程中中途翻转自旋以重新聚焦慢漂移），他们将有效相干时间大致延长了一个数量级。在交换相互作用主导磁场差异的工作区，他们实现了超过10的量子比特质量因子，对应的预期两比特门保真度接近98%。

走向大型硅量子芯片

最后，作者勾画了射频电子级联概念如何扩展的蓝图。在他们的设想中，数据量子比特耦合到附近的“辅助”量子点，这些辅助点又连接成通向远端库和共享谐振电路的级联量子点链。通过以不同射频频率驱动不同链路，分布在二维阵列中的许多量子比特可以同时被读出，而无需移动电子或为每个量子比特配备独立传感器。结合已展示的基于交换的控制以及与300毫米硅制造兼容性，这项工作提出了一条实用路线，使更致密、更高效的硅量子处理器成为可能，在这些处理器中快速、高增益的读出被直接构建进芯片结构中。

引用: Chittock-Wood, J.F., Leon, R.C.C., Fogarty, M.A. et al. Radiofrequency cascade readout of coupled spin qubits. Nat Electron 9, 314–323 (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-026-01582-8

关键词: 硅自旋量子比特, 量子点读出, 射频传感, 基于交换的两比特门, 量子计算硬件