量子计算机是一种利用量子力学原理的计算设备，在某些复杂的优化和处理任务上，其性能可能优于传统计算。在量子计算机中，经典的信息单位(比特)可以取值为1或0，而量子比特或量子位则可以同时取值为0和1。
到目前为止，量子比特已经使用各种物理系统实现，从电子到光子和离子。近年来，一些量子物理学家一直在试验一种新型量子比特，称为安德烈夫自旋量子比特。这些量子比特利用超导和半导体材料的特性来存储和操纵量子信息。
由MartaPita-Vidal和JaapJ.Wesdorp领导的代尔夫特理工大学研究小组最近证明了两个遥远的安德烈夫自旋量子位之间的强且可调的耦合。他们发表在《自然物理学》上的论文可以为有效实现远距离自旋之间的双量子位门铺平道路。
“最近的研究基本上是我们去年在《自然物理学》上发表的研究的延续，”该论文的通讯作者克里斯蒂安·克拉格伦德·安德森告诉Phys.org。“在这项早期工作中，我们研究了一种名为安德烈夫自旋量子比特的新型量子比特，耶鲁大学的研究人员此前也曾展示过这种量子比特。”
安德烈夫自旋量子比特同时利用了超导和半导体量子比特的优势特性。这些量子比特本质上是通过将量子点嵌入超导量子比特而创建的。
“随着新量子比特的建立，下一个自然而然的问题就是我们是否可以将两个量子比特耦合起来，”安德森说。“2010年发表的一篇理论论文提出了一种耦合两个量子比特的方法，我们的实验是第一个在现实世界中实现这一提议的实验。”
作为研究的一部分，安德森和他的同事首先制造了一个超导电路。随后，他们使用精确控制的针将两条半导体纳米线沉积在该电路的顶部。
“我们设计电路的方式，结合纳米线和超导电路创建了两个超导回路，”安德森解释道。“这些环路的特殊之处在于，每个环路的一部分是一个半导体量子点。在量子点中，我们可以捕获一个电子。最酷的是，围绕环路流动的电流现在将取决于半导体量子点的自旋。这种效应很有趣，因为它使我们能够通过一次自旋控制数十亿个库珀对的超电流。”
研究人员实现的两个耦合超导回路的组合电流最终取决于两个量子点的自旋。这也意味着两个自旋通过这种超电流耦合。值得注意的是，这种耦合也可以通过穿过环路的磁场或通过调制栅极电压来轻松控制。
安德森说：“我们证明，我们确实可以使用超导体在‘长’距离上耦合自旋。”“通常情况下，自旋-自旋耦合仅在两个电子非常接近时才会发生。当将基于半导体的量子位平台与基于超导量子位的平台进行比较时，这种接近的要求是半导体架构的缺点之一。”
超导量子比特体积庞大，因此会占用设备中的大量空间。安德森和他的同事提出的新方法使量子计算机的设计具有更大的灵活性，因为它能够实现长距离量子比特的耦合，并将它们紧密地结合在一起。
这项最新研究可能很快为高性能量子计算设备的开发开辟新的可能性。在接下来的研究中，研究人员计划将他们提出的方法扩展到更多的量子比特。
安德森补充道：“我们有充分的理由认为，我们的方法可以为多个自旋量子位的耦合提供重大的架构进步。”“然而，也存在实验挑战。目前的相干时间不是很好，我们预计我们使用的半导体(InAs)的核旋转浴是罪魁祸首。因此，我们希望转向更清洁的平台，例如基于锗，以提高相干时间。”
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