Engineering two-qubit gates via anisotropic exchange in germanium spin qubits
本文表明，通过利用锗空穴自旋量子比特中的强自旋轨道相互作用并利用全矢量磁场控制，研究人员可以设计各向异性交换相互作用以连续调节相互作用哈密顿量，从而实现原生单脉冲 iSWAP 门并促进基于自旋的量子模拟。
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在构建量子计算机的探索过程中，科学家们正在寻找微小且可控的系统，这些系统能够将信息保持在叠加态中，即同时存在于多种可能性之中。一个极具前景的候选者是捕捉在半导体芯片内的单个粒子的“自旋”。想象一个只有原子大小的微型磁铁，它可以指向向上或向下，甚至可以是两者的混合状态。近年来，研究人员发现，在锗（germanium）芯片中使用“空穴”（即晶格中电子的缺失）具有独特的优势。这些空穴与环境的相互作用方式，使得科学家可以通过电场而非仅仅通过磁场来控制它们，这使得它们反应迅速且可能更容易管理。然而，对于量子计算机要解决复杂问题而言，这些单个粒子必须能够相互“交谈”，即交换信息或改变彼此的状态。这种对话是由一种被称为“交换相互作用”的力量所介导的，这种力量通常表现为两个邻居之间简单的、均匀的握手。但在锗系统中，这种“握手”的规则比以往认为的要复杂且有趣得多。
IBM欧洲研究中心的一个团队现在已经精确绘制出了锗芯片中两个空穴自旋之间是如何进行这种“交谈”的。他们发现，这种相互作用并非一种简单的、均匀的力量，而是一种复杂的、具有方向性的力量，其性质取决于磁场方向的变化。通过仔细调整磁场方向，他们发现可以开启或关闭这种相互作用，甚至可以反转其性质。在标准设置中，两个量子比特会以固定的方式发生相互作用，从而限制了它们能执行的操作类型。在这里，研究人员展示了通过简单地旋转磁场，他们可以将相互作用从正值调节到零，再到负值。这种能够翻转相互作用符号的能力是一种罕见且强大的工具，它实现了在这些材料中此前无法实现的控制水平。
该团队使用了一个包含两个微小陷阱（称为量子点）的器件，每个陷阱中都捕捉着一个空穴自旋。他们将该器件置于磁场中，并使用一种称为光谱学（spectroscopy）的技术来倾听自旋的“声音”。通过测量自旋翻转的频率，他们可以推断出连接它们的力的大小和方向。他们发现，这种力分裂成两个截然不同的部分：一个是在特定线上起作用的“推或拉”作用，另一个是“侧向交换”作用。研究人员绘制了这两部分如何随磁场在三维空间中的旋转而变化的图谱。他们观察到，“推或拉”部分可以完全消失，然后以相反的效果重新出现。这意味着在特定的角度下，自旋不再以通常的方式影响彼此的能量水平，而“侧向交换”部分仍然保持活跃。
这一发现使科学家能够设计出一种特定类型的量子门，这是量子逻辑的基本构建模块。通过将磁场对准“推拉”相互作用消失的精确角度，他们便只剩下了“侧向交换”力。随后，他们对芯片施加了一个单一且短暂的电脉冲，导致两个自旋完美地交换了状态。这种被称为 iSWAP 门的运算是量子计算中的关键步骤，但在相互作用固定且各向同性的系统中，实现这一步是极其困难的。在这一锗系统中，研究人员仅用 56 纳秒就完成了这个门操作。他们通过测量脉冲前后自旋的状态来验证操作的成功，确认了两个粒子确实高精度地交换了信息。
研究还表明，这些自旋的行为与其材料本身的磁响应形状（即 g-张量）密切相关。研究人员测量了每个单独自旋的这种形状，并发现它们的轻微失配正是产生定向相互作用的关键。由于这两个自旋对磁场的响应方向略有不同，它们之间的力变得具有各向异性，这意味着它取决于磁场的角度。这一发现表明，材料的几何结构不仅仅是一个背景细节，而是量子操作的主要控制旋钮。团队测量了自旋的稳定性，发现它们可以维持超过 21 微秒的量子态，这一持续时间在同类系统中属于顶尖水平。
尽管实验展示了高保真度的量子门，但研究人员指出，性能受限的原因在于在该特定磁场角度下读取自旋状态存在难度，而非门机制本身存在缺陷。这项研究提供了一个清晰的蓝图，说明如何通过仅仅转动一个“磁性旋钮”而非改变硬件本身来操纵量子相互作用。这种方法为构建量子计算机开辟了一条新路径，即逻辑门是由全局场的取向而非复杂的、针对每一项操作的个体布线来定义的。这种能够将相互作用从正向调节到负向，并隔离特定类型量子运动的能力，为模拟复杂的物理系统以及执行此前难以企及的计算打开了大门。通过理解并利用这些定向力量，研究人员表明，锗是一个能够支持下一代量子硬件的多功能平台。
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