量子芯片可以通过新的自旋量子比特读出更快地扩展，减少传感器和布线

量子计算机，利用量子力学效应处理信息的设备，可以解决一些传统计算机难以或不可能解决的任务。这些系统将数据表示为量子比特，即可以同时存在于多个状态的信息单位，不同于传统计算机用二进制值（“0”或“1”）表示数据的比特。

近年来开发的一些量子计算机将量子信息存储在电子或原子核的自旋（即内在角动量）中，这些电子或原子核被困在小型半导体结构中，称为量子点。然而，为了让这些设备可靠运行，工程师需要能够精确测量它们所依赖的自旋量子比特的量子态，这一过程被称为量子比特读出。这些状态如果能以架构紧凑的方式精确测量，也就是说，使用节省空间的硬件，而不是大量笨重的部件，也会更有利。

Quantum Motion和伦敦大学学院（UCL）的研究人员最近推出了一种新方法，利用高频电信号清晰读取自旋量子比特的状态。该方法由Jacob F. Chittock-Wood及其同事在UCL攻读博士期间提出，发表于《自然电子学》期刊。

“最初，我们的目标是描述利用工业芯片技术制造的新一代量子器件，”该论文的首席作者、现任日本理化学博士后研究员雅各布·F·奇托克-伍德告诉 Phys.org。“然而，在测量过程中，我们发现了一个意想不到的信号，这促使我们发现了一种读取自旋量子比特的新方法。随后我们利用该技术测量了两个电子自旋之间的交换相互作用，这正是基于自旋的量子计算机中双量子比特操作的关键交互。”

在两个电子自旋之间交换振荡。条纹图案显示两个旋转在时间内反复交换方向。对这种交换交互的控制是基于自旋量子计算机实现双量子比特操作的关键要素。图片来源：Nature Electronics（2026年）。DOI：10.1038/s41928-026-01582-8。

通过射频级联放大微弱信号

奇托克-伍德及其同事引入的新自旋量子比特态测量方法称为射频电子级联读出。该方法利用射频信号在半导体基于量子点的器件内来回传递电荷。

奇托克-伍德解释道：“这种运动与一个储气池耦合，产生更强的响应，有效地放大了原本非常微弱的信号。”“独特之处在于，这一过程通过射频驱动持续重复，而非单次级联事件。我们在平面硅MOS自旋量子比特装置中进行了实验性演示。”

作为研究的一部分，研究人员在原型量子处理器上实施了他们的方法，并评估了其区分不同自旋态的能力。他们发现该方法能产生更清晰的信号，信噪比提升了35 dB以上。

值得注意的是，奇托克-伍德及其同事能够在约7.6微秒内可靠地读取两电子自旋态。此外，通过他们的方法，他们实现了对自旋量子比特的相干控制，实现了执行量子逻辑操作所需的条件。

奇托克-伍德说：“在量子计算结束时，必须测量量子比特以确定结果。”“在半导体自旋量子比特中，这通常通过附近的电荷传感器实现，但这些传感器增加了复杂性，并占用了芯片上宝贵的空间。我们的射频电子级联显示通过强放大通常较弱的信号，提供了一种紧凑的替代方案。在我们的平面硅MOS器件中，这使色散读出速度比同一平台上以往方法快了数百倍，同时保持了类似的性能。”

迈向可扩展量子计算的进一步一步

该研究团队设计的自旋量子比特读出方法很快有望进一步改进，应用于更大型的量子处理器。未来，它还可能实现远距离量子比特状态的读出，使多个量子比特共享一个统一的读出基础设施。

这篇最新论文报告的测量清晰度和速度提升，或许很快会激励其他研究者开发类似的基于射频的自旋读出方法。最终，这些方法有望推动量子计算机的发展，推动其从小型实验室系统向更大、功能齐全的处理器转变，从而在现实世界中部署。

奇托克-伍德补充道：“这种方法的主要吸引力在于，原则上它可以允许在共享相同的读出基础设施的情况下并行测量多个量子比特。”“下一步是将该方法扩展到更大的阵列，并展示这种远距离复用读数。如果成功，它可能减少量子芯片扩展所需的传感器和布线数量。”

Jacob F. Chittock-Wood 等，耦合自旋量子比特的射频级联读出，《自然电子学》（2026）。DOI：10.1038/s41928-026-01582-8。

期刊信息：Nature Electronics 

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