研究人员展示了具有四个单重态三重态量子比特的量子点系统的通用控制
能够精确操纵量子系统中相互作用的自旋对于开发可靠且高性能的量子计算机至关重要。事实证明，这对于基于量子点（即微型半导体器件）的具有许多自旋的纳米级系统尤其具有挑战性。代尔夫特理工大学 (TU Delft) 的研究人员最近展示了基于量子点的系统的通用控制，该系统具有四个单重态-三重态量子比特。他们的论文发表在《自然纳米技术》上，可能为成功升级量子信息处理系统开辟新的可能性。
论文资深作者 Lieven Vandersypen 告诉 Phys.org：“我们最初尝试调整和校准 4x2 量子点阵列中所有相邻自旋之间的交换相互作用，每个点加载一个自旋。”
“我们使用时间域测量来实现这一点，在某个时刻，我们意识到我们有效地实现了对四个所谓的单重态-三重态量子比特（两个自旋的联合状态）的通用控制。接下来，我们付出了巨大的努力，仔细对量子操作进行了基准测试，并在量子比特阵列上创建了纠缠。”
在这项研究之前，量子物理学家和工程师已经能够实现对最多两个相互作用的单重态-三重态量子比特系统的通用控制。因此，范德西彭和他的同事首次实现了对具有四个单重态-三重态量子比特的较大量子点系统的控制。
“我们系统中的每个量子比特由两个自旋组成，单量子比特操作可以通过基带电压脉冲控制，”Vandersypen 解释道。“这些切换两个不同值之间的自旋-自旋交换相互作用，对应于两个不同的量子比特旋转轴。对于双量子比特门，我们也使用门电压脉冲激活属于不同量子比特的自旋之间的交换耦合。”
研究人员的系统由 2 x 4 锗量子点阵列组成，形成量子点梯形。通过控制梯形横档上每对自旋之间的交换相互作用，他们初步绘制出了系统的量子比特能谱。
随后，该团队通过脉冲控制相应双量子点的失谐和隧穿屏障，实现了对系统中每个量子位的通用控制。通过同时控制相邻量子位的这两个屏障，他们最终实现了在成对的量子位之间交换信息的量子门（即双量子位 SWAP 式门）。
“当操作该设备时，所有八个自旋都参与量子相干时间演化，这是迄今为止半导体量子点阵列中最多的，”Vandersypen 补充道。“我们的研究结果还凸显了单重态-三重态量子比特的潜力。虽然单量子比特操作已经相当可靠，保真度超过 99%，但下一步的关键是证明双量子比特门也可以以超过 99% 的保真度执行。”
Vandersypen 及其同事的最新研究介绍了一种有前途的方法，可以实现对具有四个单重态-三重态量子比特的锗量子点系统的通用控制。未来，这种方法可以进一步改进，以精确操纵更大的纳米级量子系统。
对这些系统的精确操控可以让物理学家可靠地模拟复杂的物理现象，包括量子磁性。此外，它还可以为更先进的量子信息系统的开发提供参考。
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