通过边带对两个参数驱动的量子点自旋量子比特进行腔介导耦合的系统示意图。图片来源：PRX Quantum（2024 年）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.020339

量子计算机的运行依赖于以量子比特的形式编码和处理信息，量子比特由量子系统的两种状态（如电子和光子）定义。与经典计算机中使用的二进制比特不同，量子比特可以同时以零和一的组合形式存在，原则上允许它们以比当今最大的超级计算机更快的速度执行某些计算。

为了充分发挥其潜力，量子计算机需要数百万个量子比特或量子比特。但是，随着量子信息处理系统扩展到许多量子比特，一个挑战出现了。甚至需要高度复杂的电子设备来控制几个量子比特，而扩展这些复杂电路是一个主要障碍。

在最近的理论研究中，由罗德岛大学教授Vanita Srinivasa领导的一个物理学家团队设想了一种模块化系统，用于扩展量子处理器，并以一种灵活的方式长距离连接量子比特，使它们能够协同工作以执行量子运算。与当前计算机相比，在链接的量子比特之间执行这种关联或“纠缠”操作的能力是量子计算增强能力的基础。

最近，由马里兰大学和美国国家标准与技术研究院的Srinivasa，Jacob M. Taylor以及加利福尼亚大学洛杉矶分校的Jason R. Petta共同撰写的一篇关于他们研究的新论文发表在PRX Quantum杂志上。

“量子计算机中的每个量子比特都以特定的频率运行。实现量子计算机独特的功能依赖于能够通过不同的频率单独控制每个量子比特，以及通过匹配它们的频率来链接量子比特对，“URI量子信息科学项目主任Srinivasa说。

“随着量子处理器扩展到更多的量子比特，能够同时实现每个量子比特的这两个操作变得非常具有挑战性。在我们的工作中，我们描述了应用振荡电压如何有效地为每个量子比特生成额外的频率，以便链接多个量子比特，而无需匹配它们的所有原始频率。这使得量子比特可以链接，同时允许每个量子比特为单独的控制保留不同的频率。

原则上，使用半导体构建量子处理器对于将量子比特扩展到大量是非常有前途的。Srinivasa说，今天存在的先进半导体技术构成了制造具有数十亿个微小晶体管的芯片的基础，并且可以利用来制造尺寸紧凑的量子比特。此外，将量子比特存储在电子和其他半导体粒子的内部属性中，称为自旋，可以增强保护每个量子计算平台固有的量子信息丢失。

然而，通过简单地将越来越多的自旋量子比特及其相关的控制电路添加到单个量子比特阵列中来扩展量子处理器在实践中是非常具有挑战性的。Srinivasa和她的同事们的理论工作通过提供一个分步指南来解决这个问题，该指南展示了多种方法可以在长距离上纠缠自旋量子比特，并灵活地匹配它们的频率。

由此产生的灵活性为基于半导体的模块化量子信息处理开辟了一条途径，它代表了一种替代方法，用于使用现在已经可以制造的小型量子比特数组（模块）构建多量子比特系统，并通过鲁棒的长距离纠缠链路将它们连接起来。

Srinivasa说：“这种缩放方法就像使用固定大小的乐高积木构建一个更大的系统，这些积木就像单个模块，并使用足够坚固的更长的积木连接它们，以便在外部影响破坏链接之前保持积木之间的连接足够长的时间。

“如果量子比特之间可以快速可靠的长距离链接，这种模块化方法允许扩展，同时为自旋量子比特控制电路提供更多空间。”完全模块化的基于半导体的量子处理器尚未得到证明。

虽然有许多类型的量子比特以及它们相互作用的各种方式，但研究人员选择研究基于量子点的自旋量子比特，这些量子比特通过超导腔中的微波光子相互作用。量子点是一种类似原子的结构，用于将电子和其他用于定义量子比特的粒子限制在半导体内的狭小空间中，并通过施加电压来单独控制它们。同样，超导腔是限制光子的制造结构，但比量子点大得多，其大小由微波的波长决定。

最近的实验证明了使用微波腔光子的量子点自旋量子比特之间的长距离链接。（硅中两个自旋量子比特的首次演示是由合著者Jason Petta的实验研究小组实现的。

然而，调整所有量子比特和光子频率，使它们精确匹配并可以交换能量 - 一种称为共振的条件 - 以建立联系，即使在两个量子比特水平上也是一个问题，该论文说。为了解决这个问题，研究人员提出了一种高度可调的方法，用于使用微波光子连接量子比特，该方法不依赖于所有原始量子比特和腔频率之间的同时共振。

在他们的论文中，研究人员为定制的长距离纠缠链接提供了全面的指南，这些链接通过使每个量子比特的多个频率与给定频率的微波腔光子链接来实现灵活性，“就像可以适应给定锁的多个键一样，”Srinivasa说。

通过向每个自旋量子比特施加振荡电压，可以产生额外的频率，该量子比特在量子点中来回移动自旋。如果这种来回运动足够快，那么除了其特征频率外，还会为每个量子比特创建两个边带频率（一个高于原始量子比特频率，一个低于原始量子比特频率）。

边带频率的增加导致有三种方法可以将每个量子比特调谐为与微波腔光子的共振，因此有九种不同的条件可以链接两个量子比特。

谐振条件下的这种灵活性将使得向系统添加量子比特变得更加容易，因为它们不需要全部调谐到相同的频率。此外，两个量子比特链接的九种方式使得只需适当设置振荡电压即可选择几种不同类型的纠缠操作，而无需修改量子点或腔光子的结构。

纠缠链接类型的多功能性使得扩展的基本量子运算集成为可能，可用于执行计算。最后，研究人员表明，与以前的方法相比，他们提出的纠缠方法对光子从腔中泄漏的敏感性较低，从而允许在自旋量子比特之间实现更强大的长距离链接。

Srinivasa说：“匹配频率的灵活性，定制量子比特之间量子纠缠操作类型的多功能性，以及降低对腔光子泄漏的敏感性，使我们提出的基于边带频率的方法有望实现使用半导体量子比特的模块化量子处理器。

“我对下一步感到兴奋，即将这些想法应用于实验室中的真实量子设备，并找出我们需要做些什么才能使这种方法在实践中发挥作用。

更多信息：V. Srinivasa 等人，通过边带的参数驱动自旋量子比特的腔介导纠缠，PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.020339

期刊信息： PRX Quantum