超导磁通量子比特与单铋掺杂原子的强耦合实现量子信息相干传输

《Nature Communications》：Strong coupling of a superconducting flux qubit to single bismuth donors

本刊推荐：为解决半导体中自旋量子比特难以实现长程耦合的难题，研究人员开展了超导磁通量子比特与硅中单铋掺杂原子强耦合的研究。通过创新性地利用磁通量子比特的巨大电流量子涨落，实现了自旋与电路84 kHz的耦合强度，成功演示了量子态在两者间的相干传输。该工作为构建混合量子系统提供了新范式，对量子计算发展具有重要意义。

　　

在量子计算的发展历程中，自旋量子比特因其长相干时间的独特优势一直备受关注。特别是硅中的铋掺杂原子，其电子自旋在极低温度下可保持数秒的相干性，堪称理想的量子信息存储载体。然而这些"孤岛"般的自旋如何实现相互"对话"却成为制约发展的瓶颈——传统微波谐振器产生的磁耦合强度仅为kHz量级，而直接交换相互作用要求原子间距小于15纳米，这对制备工艺提出了极高要求。

面对这一挑战，来自以色列巴伊兰大学和澳大利亚墨尔本大学的联合研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将超导磁通量子比特作为"量子巴士"，实现了与单个铋掺杂原子的强耦合，为构建可扩展的量子处理器提供了新思路。

研究人员采用的关键技术包括：在富集²⁸硅衬底上通过离子注入精确控制铋原子的三维定位（深度20纳米）；采用三层层压工艺制备约瑟夫森结磁通量子比特；利用自旋锁定的光谱学方法筛选长寿命量子系统；通过动态耦合技术实现量子态的可控传输。

器件设计与表征

研究团队设计了一种独特的λ/2共面波导谐振器，其中心导体与11个磁通量子比特形成电连接。特别值得关注的是，每个量子比特环路中都包含一个20×500纳米的铝制收缩结构，这些结构恰好对准硅中的铋掺杂区域。通过原子力显微镜表征显示，这种设计确保了自旋与量子比特的最近距离。

单铋掺杂原子的检测

利用自旋锁定技术，研究人员开发出一种高效的杂质检测协议。通过施加满足Ω=|δ|条件的微波驱动，量子比特可以与共振的两能级系统发生能量交换。为了从大量短寿命噪声中筛选出目标信号，团队采用双脉冲差分测量法，最终成功识别出三个弛豫时间超过5秒的铋掺杂原子，其共振频率分别为7.3712 GHz、7.3692 GHz和7.3687 GHz。

相干耦合的演示

最令人振奋的结果出现在耦合测量中。当量子比特与自旋s3共振时，观测到明显的拉比振荡现象，耦合强度达到g_s3/2π=84 kHz。这一数值与基于毕奥-萨伐尔定律的模拟结果高度吻合，证实了耦合的相干特性。其他两个自旋的耦合强度分别为45 kHz和62 kHz，这种差异源于它们与电路距离的不同。

量子存储器的实现

研究团队进一步演示了该系统的实际应用价值。通过交换操作，他们成功将量子比特的状态初始化到自旋上，实现了长达10秒的量子信息存储。更有趣的是，通过调节驱动频率，可以可控地增强Purcell弛豫效应，将自旋弛豫率从0.1 Hz提升到1 kHz，这为量子态的主动调控提供了新手段。

这项研究的成功不仅证实了混合量子系统的可行性，更开辟了一条通往可扩展量子计算的新路径。通过将超导量子电路的控制优势与半导体自旋的长相干特性相结合，研究人员成功打破了量子比特耦合与相干性之间的传统权衡。尽管目前量子比特的弛豫时间仍有优化空间，但这项技术为构建大规模量子处理器奠定了坚实基础，预示着量子计算技术即将迎来新的突破。