荷兰学者利用移动硅基自旋实现双比特量子门与隐形传态

硅基自旋量子比特的大规模扩展面临量子比特间连接方式的制约。荷兰代尔夫特理工大学 QuTech 研究所的Vandersypen团队在²⁸Si/SiGe量子阱器件上，利用 conveyor-mode shuttling 技术实现了电子的可控移动，使量子比特可以在存储区与相互作用区之间灵活调度。通过调节移动距离和中心势垒电压，两个移动电子之间产生了可调的交换相互作用，并在此基础上实现了保真度98.86 %的 CZ 门，总门时间仅 58 ns。研究人员进一步利用移动 CZ 门制备空间分离纠缠对，演示了条件后选择量子隐形传态，传态保真度86.7%超越经典极限。该工作验证了移动电子自旋作为可重构连接方案的可行性。相关成果于5月6日发表于国际权威学术期刊《自然》。

（doi.org/10.1038/s41586-026-10423-9）

Credit: Nature

量子计算从几个量子比特扩展到成百上千个时，会面临一个基础性问题：量子比特之间如何相互连接。许多基于半导体量子点的自旋量子比特实验采用固定阵列结构，量子点排列成一行或一个网格，相邻量子点之间通过交换相互作用实现双比特门操作。但如果两个需要交互的量子比特距离较远，就必须经过中间量子点一步步传递，或者引入额外的连接通道。随着量子比特数量增长，这种固定的近邻连接方式会让芯片布线和校准变得复杂，量子纠错的调度也会受到限制。

一种不同的解决方案是让电子本身移动。在硅基自旋量子比特中，量子信息编码在单个电子的自旋自由度上。常规做法是让电子始终停留在一个固定的量子点内，需要操作时通过电信号改变该位置的电磁环境。但如果电子不必固定在一个地方呢？通过动态调节芯片表面的栅极电压，可以把承载自旋态的电子从一个位置输运到另一个位置。这样设计的好处是：量子比特平时可以存放在相对隔离的「存储区」，需要执行双比特操作时再移动到「相互作用区」。不同量子纠错方案对量子比特之间的邻接关系有不同的要求，可移动的电子让连接关系不再被芯片的物理几何结构锁死，从而可能实现可重构的连接拓扑。

Credit: Nature

研究人员采用了一种称为conveyor-mode shuttling 的电子输运方式。实验器件制备在同位素纯化的²⁸Si/SiGe量子阱上，表面覆盖多层金属栅极。其中一类栅极（plunger gates）调节各处量子点的电势和电子占据数，另一类势垒电极（barrier gates）调节相邻区域之间的势垒高度。芯片两端各有一个电荷传感量子点，用于检测电荷构型的变化。芯片上方放置的钴微磁体产生空间变化的磁场，使处于不同物理位置的电子自旋感受到不同的磁场强度，从而具有不同的共振频率。这种频率差异是进行单比特电偶极自旋共振（EDSR）操控的基础。

conveyor-mode shuttling 的原理是：在多个栅极上施加随时间正弦振荡的电压，相邻栅极的振荡信号之间设置固定的相位差。这些信号在空间上叠加后，会在量子阱中形成一个沿通道方向匀速平移的量子点，即可移动量子点。电子在低温下被束缚在这个量子点内，随着电势的平移而移动。整个过程移动的是电势结构本身，而不是金属栅极，从而实现电子的输运。实验中使用了包含基频 f 和半频 f/2 的双频信号，目的是构造出形状更合适的移动电势，降低电子在输运过程中掉入错误电势阱的概率。

实验中的核心对象是两个可移动电子，分别从通道两端的量子点出发，相向移动至中心区域。当两个电子相距较远时，波函数几乎没有重叠，交换相互作用可以忽略不计。随着移动电势阱相互靠近，两个电子的波函数重叠程度增加，隧穿耦合增强，从而在两者之间产生了交换相互作用 J。这个相互作用的强度可以通过两种方式调节：一是控制两个电子的移动距离，二是调节中心 barrier gate 的电压来改变势垒高度。实验测量表明，交换强度 J 随移动距离和中心势垒电压连续变化，在初始阶段其对势垒电压的依赖关系接近指数形式，当势垒融合之后达到饱和。

研究人员利用微磁体产生的磁场梯度，使 Q2 和 Q5 即使被移动到中心区域后仍处于不同的磁场中，因而具有不同的自旋共振频率（Zeeman 能量差）。当交换强度 J 小于这个能量差时，交换相互作用中的 flip-flop 成分因能量不匹配被抑制，系统主要经历条件相位积累。这样，将两个电子移动到中心区域、让交换相互作用持续一段受控时间、再移回原位，整个过程就完成了一个 CZ 门。

电子的自旋方向无法直接被传感器测量。实验采用 Pauli 自旋阻塞（Pauli spin blockade）方法，先将自旋信息转换为电荷构型信息，再通过电荷传感量子点读出电荷构型的变化。

以左侧 Q1–Q2 读出对为例。Q1 是固定位置的辅助电子，Q2 是待测量的移动电子。读出时调节栅极电压，使 Q2 所在位置的电子在某些自旋构型下能够隧穿到 Q1 所在量子点，形成双电子占据态。由于 Pauli 不相容原理，如果两个电子自旋取向一致（triplet-like 构型），它们不能同时占据量子点的最低能态，需要进入更高的轨道能级或 valley 能级；而读出条件的能量窗口并未打开这些高能通道，因此电荷转移被阻塞，量子点的电荷构型保持不变。如果两个电子自旋取向相反（singlet-like 构型），则可以共同占据低能态，电荷转移可以发生，量子点电荷构型发生变化。电荷传感器无需分辨自旋方向，只需检测电荷构型是否发生了改变。由于 Q1 的状态是已知的（经过初始化），通过奇偶性测量结果就可以推断 Q2 的自旋状态。右侧 Q5–Q6 读出对采用相同的原理。

实验首先通过 EDSR 能谱验证了电子输运过程。当传送周期数增加时，Q2 和 Q5 的共振频率发生连续变化，这与电子在微磁体磁场梯度中移动到不同位置的预期一致。两个电子靠近后，谱线出现了依赖于另一个电子自旋状态的分裂，表明它们之间确实产生了相互作用。随后，利用 DCPhase 序列定量测量了交换强度  J 随移动距离和中心势垒电压的变化关系。

Credit: Nature

核心逻辑门实验是移动电子 CZ 门。Q2 和 Q5 从相距约 270 nm 的初始位置出发，被移动到芯片中心区域的相互作用位置执行操作，再对称地返回各自的原量子点附近。完整脉冲序列包含快速接近阶段、较慢的相互作用阶段和对称返回阶段，总门时间 58 ns。相位校准结果显示受控相位接近π 。利用交叉随机基准测试（interleaved randomized benchmarking）测得的 CZ 门保真度为98.86±0.29% ，表明移动电子在经历接近、相互作用和分离的全过程后，仍然可以实现接近 99% 保真度的双比特受控相位门。

Credit: Nature

最后一项演示是利用移动电子产生纠缠态并进而实现条件后选择量子隐形传态。实验先用移动 CZ 门在空间分离的 Q2 和 Q5 之间制备纠缠态，再将待传输的量子态制备在 Q6 上。随后对 Q5 和 Q6 执行 Bell 态测量，并在 Q2 上完成量子过程层析。由于 Pauli 自旋阻塞奇偶性测量无法完整区分四个 Bell 态，实验只能对特定的测量结果进行后选择，因此这不是确定性的隐形传态，而是条件性的。在所选测量通道下，重构出的传态过程平均保真度为86.7±0.9% ，高于经典极限2/3 。

Credit: Nature

这项工作的主要价值在于验证了一种不同于固定量子点阵列的架构思路：在硅基自旋量子比特平台上，电子可以在芯片上被移动，双比特操作可以在移动过程中完成，操作完成后电子可以返回原位。这种方式为量子比特之间的连接提供了可重构的可能，有望降低大规模扩展时对固定布线的依赖。

同时也存在明确的局限。CZ 门的保真度（约 98.9%）距离表面码等容错方案通常需要的阈值仍有差距。量子隐形传态因为读出方式的限制目前只能在部分测量结果上实现后选择，要走向确定性传态，还需要更快、非破坏性的读出技术和实时反馈能力。此外，将这种方法扩展到更多量子比特时，移动通道之间的串扰、信号校准复杂度以及输运过程中的退相干都是需要进一步研究的问题。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10423-9

量子科话面向热爱科学、关心科技发展的公众，介绍量子科技领域重要前沿研究进展和国内外相关发展动态，对公众关注的科学问题提供客观的解读，助力加深公众对量子科技的认识，感受量子世界的奥妙。

量子科话由合肥国家实验室和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院共同主办。