新南威尔士大学悉尼分校的Andrea Morello教授领导的一个团队刚刚演示了一种新型量子比特的操作，被称为“触发器”量子比特，它结合了单个原子的精妙量子特性和使用电信号容易控制的特性，就像在普通计算机芯片中使用的那样。

一个深思熟虑的目标：单原子量子比特的电子控制

“有时新的量子比特或新的操作模式是意外发现的。但这完全是设计使然，”Morello教授说。“我们的团队十年来一直拥有出色的量子比特，但我们想要一些可以电动控制的东西，以最大程度地简化操作。所以我们必须发明一些全新的东西。”

Morello 教授团队是世界上第一个证明利用硅中单个磷原子的核自旋和电子的自旋可以作为“量子比特”（用于进行量子计算的信息单位）。他解释说，虽然这两个量子比特各自表现得非常好，但它们需要振荡磁场来运作。

“磁场很难在纳米尺度上定位，纳米尺度是单个量子计算机组件的典型尺寸。这就是为什么硅量子比特的第一个提议设想将所有量子比特浸泡在均匀振荡磁场中，应用于整个芯片，然后使用局部电场来选择要操作的量子比特。”

几年前，Morello 教授的团队意识到：通过将量子比特定义为电子和原子核的上下/上下组合方向，可以仅使用电场来控制此类量子比特。今天的结果是这个有远见的想法的实验证明。

“这个新的量子比特被称为‘触发器’，因为它是由属于同一原子的两个自旋组成的——电子自旋和核自旋，它们总是指向相反的方向，”Rostyslav Savytskyy博士说，他是发表在《科学进展》上的论文的主要实验作者之一。

托管“触发器”量子比特的硅纳米电子设备的草图。核自旋（“n”，橙色）和电子自旋（“e”，蓝色）相互翻转，同时始终指向相反的方向。

“例如，如果‘0’状态是‘电子向下/原子核向上’，‘1’状态是‘电子向上/原子核向下’，从‘0’变为‘1’意味着电子向上“翻转”，原子核向下“翻转”。由此得名！”

该理论预测，通过相对于原子核置换电子，人们可以对触发器量子比特的任意量子态进行编程。

“我们的实验以完美的准确性证实了这一预测，”另一位主要实验作者Tim Botzem 博士说。

“最重要的是，这种电子位移是通过向一个小金属电极施加电压来获得的，而不是用振荡磁场照射芯片。这种方法更类似于我们每天在计算机和智能手机中使用的传统硅计算机芯片中通常路由的电信号类型。”

一种有望扩展到大型量子处理器的策略

通过从原子核中置换电子来对“触发器”量子比特进行电气控制会伴随一个非常重要的副作用。当负电荷（电子）远离正电荷（原子核）时，会形成电偶极子。将两个（或更多）电偶极子彼此靠近放置会在它们之间产生强电耦合，这可以调解执行有用量子计算所需的那种多量子位量子逻辑运算。

发现核和电子自旋“向上”的概率的实验测量。数据清楚地显示了翻转动力学，其中随着逐渐施加电驱动信号，两个自旋交换方向多次。

Morello教授说：“在硅中耦合自旋量子位的标准方法是将电子彼此靠近放置，以便它们有效地‘接触’。”

“这需要将量子比特放置在间距为几十纳米的网格上。这样做的工程挑战相当严峻。相比之下，电偶极子不需要相互“接触”，它们可以从远处相互影响。我们的理论表明 200 纳米是快速和高保真量子操作的最佳距离。

“这可能是一个改变游戏规则的发展，因为 200 纳米足以允许在量子比特之间插入各种控制和读出设备，使处理器更容易连接和操作。”

参考链接：https://phys.org/news/2023-02-flip-flop-qubit-quantum-bit-silicon.html