自旋量子比特进行蹦床以制造量子门，并与芯片上的其他自旋量子比特耦合。图片来源：QuTech 的 Studio Oostrum

QuTech的研究人员开发了用于通用量子逻辑的翻筋斗自旋量子比特。这一成就可能有助于对大型半导体量子比特阵列的有效控制。该研究小组在《自然通讯》（Nature Communications）上发表了他们对跳跃旋转的演示，并在《科学》（Science）上发表了他们在翻筋斗旋转方面的工作。

1998 年，Loss 和 DiVincenzo 发表了开创性的著作“量子点的量子计算”。在他们的原始工作中，自旋跳跃被提议作为量子比特逻辑的基础，但仍然缺乏实验实现。20多年后，实验已经赶上了理论。QuTech（代尔夫特理工大学和TNO之间的合作）的研究人员已经证明，原始的“跳跃门”确实是可能的，并且具有最先进的性能。

基于量子点的量子比特在世界范围内受到研究，因为它们被认为是构建量子计算机的引人注目的平台。最流行的方法是捕获单个电子并施加足够大的磁场，使电子的自旋可以用作量子比特并由微波信号控制。

然而，在这项工作中，研究人员证明不需要微波信号。相反，基带信号和小磁场足以实现通用量子比特控制。这是有益的，因为它可以大大简化操作未来量子处理器所需的控制电子设备。

合著者Sasha Ivlev，Hanifa Tidjani和Chien-An Wang（从左到右）检查已安装的量子处理单元。图片来源：QuTech 的 Marc Blommaert

控制自旋需要从一个点跳到另一个点，以及一个能够旋转它的物理机制。最初，Loss 和 DiVincenzo 的提议使用了一种特定类型的磁铁，事实证明这很难通过实验实现。

取而代之的是，QuTech的团队开创了锗的先河。这种半导体本身可能已经允许自旋旋转。这是由发表在Nature Communications上的研究推动的，其中同一小组的Floor van Riggelen-Doelman和Corentin Déprez表明，锗可以作为自旋量子比特跳跃的平台，作为建立量子链接的基础。他们观察到了自旋旋转的初步迹象。

在考虑跳跃量子比特和翻筋斗量子比特之间的区别时，可以将量子点阵列想象成一个蹦床公园，电子自旋就像人跳跃一样。通常，每个人都有一个专用的蹦床，但如果有的话，他们可以跳到邻近的蹦床。锗有一个独特的特性：仅仅从一个蹦床跳到另一个蹦床，一个人就会体验到使他们筋斗的扭矩。这一特性使研究人员能够有效地控制量子比特。

《科学》论文的第一作者Chien-An Wang指出，“锗的优点是在不同的量子点中沿不同方向排列自旋。事实证明，通过在这些量子点之间跳跃自旋，可以产生非常好的量子比特。“我们测量的单量子比特门的错误率小于1000，双量子比特门的错误率小于100。”

合著者 Floor van Rigelen（前）和 Sander de Snoo。图片来源：QuTech 的 Marc Blommaert

在建立了对四量子点系统中两次自旋的控制后，该团队更进一步。该团队没有在两个量子点之间跳跃自旋，而是研究了在几个量子点之间的跳跃。类似地，这对应于一个人在许多蹦床上跳跃和翻筋斗。合著者瓦伦丁·约翰（Valentin John）解释说：“对于量子计算，有必要高精度地操作和耦合大量量子比特。

不同的蹦床使人们在跳跃时体验到不同的扭矩，同样，量子点之间的跳跃旋转也会导致独特的旋转。因此，表征和理解可变性非常重要。

合著者Francesco Borsoi补充说：“我们建立了控制程序，可以跳跃自旋到10量子点阵列中的任何量子点，这使我们能够在扩展系统中探测关键量子比特指标。

“我很自豪地看到所有的团队合作，”首席研究员Menno Veldhorst说。“在一年的时间跨度内，由于跳跃而产生的量子比特旋转的观察成为整个团队使用的工具。我们认为，为未来量子计算机的运行开发有效的控制方案至关重要，这种新方法很有希望。

更多信息：Wang， et al.操作具有跳跃旋转的半导体量子处理器，科学（2024），DOI：10.1126/science.ado5915

Van Riggelen-Doelman 等人。相干自旋量子比特穿梭于锗量子点中， Nature Communications （2024）， DOI： 10.1038/s41467-024-49358-y

期刊信息： Science ， Nature Communications