刘霞

硅中的两个量子比特系统。图片来源：《自然·物理学》

瑞士巴塞尔大学和瑞士国家科研能力中心科学家，首次在传统硅晶体管内实现了两个空穴自旋量子比特之间的可控相互作用。这一最新突破为使用成熟的硅制造工艺，在单个芯片上集成数百万个此类量子比特奠定了基础。相关论文发表在最新一期《自然·物理学》杂志上。

科学家正加速构建实用量子计算机，并研究各种各样的量子比特技术。然而，对于哪种类型的量子比特最适合发挥量子技术的最大潜力，科学家目前还没有达成共识。量子比特是量子计算机的基础，它们必须可靠地存储且快速处理信息。这就要求量子比特之间具有稳定且快速的相互作用。此外，为使量子计算机具有实用性，必须在一个芯片上集成数百万个量子比特，但当前最先进的量子计算机只有数百个量子比特。

为解决成千上万个量子比特的排列和连接问题，瑞士研究团队另辟蹊径，使用电子（空穴）自旋作为量子比特。空穴本质上是半导体内缺失一个电子留下的“电洞”。空穴和电子都有自旋，可采用向上或向下两种状态之一作为量子比特。与电子自旋相比，空穴自旋可以完全由电控制，无需在芯片上添加微磁体等额外组件。

早在2022年，巴塞尔大学物理学家就捕获了“鳍场效应晶体管”内的空穴自旋，并用作量子比特。现在，由安德烈亚斯·库尔曼博士领导的团队，首次成功控制了硅晶体管内两个此类量子比特间的相互作用。

库尔曼指出，在最新研究中，他们能够耦合两个空穴量子比特，并根据一个空穴自旋状态，让另一个自旋受控翻转，从而创建出两个既快速又高保真的“量子门”。量子门指量子比特之间的耦合操作，量子计算机需要“量子门”执行计算。基于空穴自旋的量子比特不仅利用了硅芯片制造技术，且具有高度的可扩展性，有望推动大规模量子计算机的开发。