硅中的快速双量子比特门设计

澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的一个研究小组在原子尺度设计中展示了硅中耦合供体原子量子比特之间的双量子比特门 - 这是研究人员第一次完成这样的壮举。这项工作克服了在硅平台上使用基于原子的量子比特构建量子计算机的一个重大障碍。

新南威尔士大学致力于在硅片中设计基于原子的量子比特工作的研究团队包括（从左到右）共同作者Sam Gorman和Yu He，团队领军人物Michelle Simmons，Ludwik Kranz，Joris Keizer和Daniel Keith。 [图片：悉尼新南威尔士大学]

将基于原子的量子比特设计到硅中

基于原子和离子的量子比特作为量子计算的候选者具有十分显著的吸引力。特别值得一提的是这些系统的长相干时间，能够在瞬间完成精细量子信息。这种和其他优点使得在激光束晶格中捕获的离子或原子的组合成为量子研究中的关键，改进展具有一些突出的近期成就，例如，量子模拟。技术专家和工程师希望将基于原子的量子比特的一些优点带到硅片上。从理论上来说，这意味着构建量子计算机的研究可以利用几十年来那些为传统计算机制造半导体的基础设施和技术。

此外，正如新南威尔士大学团队领导人Michelle Simmons在该研究的新闻稿中所指出的那样，由单个原子创建的电子自旋量子比特在几个指标下对硅中的量子比特“保持世界纪录”。例如，先前的工作已经表明，硅中的这种量子比特可以在几秒内具有相干时间，潜在的栅极保真度（并且，因此相干控制）大约为99.9％。最大的问题是让这些原子足够靠近，在量子力学意义上通过纠缠等现象进行相互“对话”，从而形成量子计算逻辑门，同时仍保持单独控制和测量每个原子量子比特的能力。因此，虽然许多研究团队使用比单个原子更大的量子比特（例如量子点）在硅中展示了双量子比特门，但在由新南威尔士大学队组成的研究团队做这些工作之前，基于单个原子的量子比特尚未达到这种成就。

扫描隧道显微镜（STM）氢光刻

为了在基于原子的量子比特之间创建这样一个双量子比特门，西蒙斯和她的团队使用了一种技术，即扫描隧道显微镜（STM）氢光刻，该研究小组已经研究了这项技术大约20年。该技术从天然硅基底开始 - 通过一系列高温化学步骤，研究人员将其表面涂上一层单原子氢。接下来，STM的尖端从该表面单独地拾取氢原子，在表面上形成具有纳米精度的原子级光刻掩模。最后，将表面暴露于350℃的磷氢气体中，在暴露区域留下磷原子。

新南威尔士大学研究团队的STM氢光刻技术使其能够构建一个双量子比特逻辑门，该逻辑门由相距仅13纳米的磷原子和相关电路组成。 [图片：新南威尔士大学悉尼媒体办公室]

量子比特，晶体管和引线

通过应用这种方法，该团队能够沉积磷原子量子比特 - 一个由两个磷原子组成的左量子比特，一个仅仅相距13纳米由三个磷原子组成的右量子比特。（根据该论文，有意设计了供体原子数之间的左右不对称，部分原因是为了增加量子比特之间交换相互作用的可调性。）研究人员还使用该技术为两个量子比特之间的量子门放置相关电路。该电路包括源极和漏极引线，以及附近的单电子晶体管，通过与量子比特的弱隧道耦合，作为电子储存器和电荷传感器。

然后团队将制造的器件放入50-mK稀释冰箱，并测试其实现特定量子逻辑门的能力 - 所谓的（SWAP）1/2栅极 - 来自供体原子的各种电子自旋基态。该团队能够以94％的保真度读出门的结果。“我们能够使量子比特的电子更近或更远，有效地打开和关闭它们之间的相互作用，这是量子门的先决条件，”Yu He，论文的两位主要合作者之一（与Sam Gorman一起） ，在一份新闻稿中说。“门操作非常快，两个量子比特的SWAP交换发生在800 ps量级”。