能否创造出一台强大的大规模量子计算机,取决于是否运用了巧妙的方法,来控制和读出大量的量子比特。

荷兰代尔夫特理工大学和荷兰国家应用科学研究院(TNO)合作的QuTech公司的研究人员,发明了一种新的读出方法,新方法的发现朝大型量子计算机迈出了重要一步。研究成果以“Electron cascade for distant spin readout”为题,发表在《自然-通讯》杂志上[2]。

 

推倒多米诺骨牌

QuTech研究小组中的Sjaak van Diepen,同时也是此次论文的主要作者表示,他的团队发明的新的读出方法,基于一种人们普遍知道的现象:多米诺骨牌效应。

基本原理是第一个转变触发第二个转变,第二个转变触发第三个转变,以此类推,就像多米诺骨牌在连锁反应中倒下一样。

考虑到多米诺骨牌效应带来的影响,团队发明了这种新的读出方法,将能够克服扩展大型量子计算机面临的一大挑战:量子比特的连通性。

多米诺骨牌效应,量子计算机大规模扩展的新途径-量子客
图1|量子比特的连通性(来源:Sabre Kais)

 

量子点阵列中的自旋量子比特

研究团队是基于量子点阵列中的自旋量子比特,来构建大型量子计算机的。

其中,可以将量子点视为小岛屿,每个小岛可以纳入一个或多个电子,并通过隧道进行耦合。

电子的自旋充当量子比特,然后要用到一个测量周围环境电荷的检测器,该检测器十分灵敏,负责读出量子点中的自旋量子比特。

但电荷传感器只能局部使用,且需要离测量电荷非常近。因此,如果按照此方法扩大互连的量子比特,需要在所有量子比特附近安装传感器,而这将会对量子比特的连通性有所限制。

 

远距离传输量子信息

研究人员们新发明的读出方案可确保以高精度,读出离电荷传感器相距较远的自旋量子比特。此次论文的第二作者Tzu-Kan Hsiao表示,其读出方法基于电荷之间的相互作用,因此,第一个电荷跃迁会触发其他电荷跃迁,从而形成级联跃迁(cascade transition)。

多米诺骨牌效应,量子计算机大规模扩展的新途径-量子客
图2|实验装置和级联概念(来源:Nature Communications)

而在这样的连锁跃迁发生之前,研究人员首先必须确保电子对这些跃迁反应十分灵敏,有点像是多米诺骨牌必须直立才能倒塌一样。

团队通过一种称为自旋-电荷转换(spin-to-charge conversion)的方法,来触发第一个电荷的跃迁。在这种方法中,一个特定的自旋态会导致电荷跃迁,而这引发了级联跃迁,于是使研究人员们能够读出离传感器相距较远的自旋电荷。

 

人人受益

科学家们希望,其他正在开发量子计算机的研究团队和行业组织,可以从新的读出方法中受益,并在此基础上再接再厉。

这样一来,构建大型量子计算机道路上的挑战将会一个一个被克服,就像推倒多米诺骨牌一样。

 

参考链接:

[1]https://qutech.nl/2021/01/04/reading-out-qubits-like-toppling-dominoes-a-new-scalable-approach-towards-the-quantum-computer/?cn-reloaded=1

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-020-20388-6

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁艳