宫奥博
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编 辑：王嘉雯
审 校：丁艳
能否创造出一台强大的大规模量子计算机，取决于是否运用了巧妙的方法，来控制和读出大量的量子比特。
荷兰代尔夫特理工大学和荷兰国家应用科学研究院（TNO）合作的QuTech公司的研究人员，发明了一种新的读出方法，新方法的发现朝大型量子计算机迈出了重要一步。研究成果以“Electron cascade for distant spin readout”为题，发表在《自然-通讯》杂志上[2]。
推倒多米诺骨牌
QuTech研究小组中的Sjaak van Diepen，同时也是此次论文的主要作者表示，他的团队发明的新的读出方法，基于一种人们普遍知道的现象：多米诺骨牌效应。
基本原理是第一个转变触发第二个转变，第二个转变触发第三个转变，以此类推，就像多米诺骨牌在连锁反应中倒下一样。
考虑到多米诺骨牌效应带来的影响，团队发明了这种新的读出方法，将能够克服扩展大型量子计算机面临的一大挑战：量子比特的连通性。
图1｜量子比特的连通性（来源：Sabre Kais）
量子点阵列中的自旋量子比特
研究团队是基于量子点阵列中的自旋量子比特，来构建大型量子计算机的。
其中，可以将量子点视为小岛屿，每个小岛可以纳入一个或多个电子，并通过隧道进行耦合。
电子的自旋充当量子比特，然后要用到一个测量周围环境电荷的检测器，该检测器十分灵敏，负责读出量子点中的自旋量子比特。
但电荷传感器只能局部使用，且需要离测量电荷非常近。因此，如果按照此方法扩大互连的量子比特，需要在所有量子比特附近安装传感器，而这将会对量子比特的连通性有所限制。
远距离传输量子信息
研究人员们新发明的读出方案可确保以高精度，读出离电荷传感器相距较远的自旋量子比特。此次论文的第二作者Tzu-Kan Hsiao表示，其读出方法基于电荷之间的相互作用，因此，第一个电荷跃迁会触发其他电荷跃迁，从而形成级联跃迁（cascade transition）。
图2｜实验装置和级联概念（来源：Nature Communications）
而在这样的连锁跃迁发生之前，研究人员首先必须确保电子对这些跃迁反应十分灵敏，有点像是多米诺骨牌必须直立才能倒塌一样。
团队通过一种称为自旋-电荷转换（spin-to-charge conversion）的方法，来触发第一个电荷的跃迁。在这种方法中，一个特定的自旋态会导致电荷跃迁，而这引发了级联跃迁，于是使研究人员们能够读出离传感器相距较远的自旋电荷。
人人受益
科学家们希望，其他正在开发量子计算机的研究团队和行业组织，可以从新的读出方法中受益，并在此基础上再接再厉。
这样一来，构建大型量子计算机道路上的挑战将会一个一个被克服，就像推倒多米诺骨牌一样。
封面：
C.J. van Diepen
（封面图像显示了从电荷传感器测量到的信号，科学家们将信号值映射到颜色上。不同的颜色代表量子点阵列上不同的电子构型。黑线代表电子的跃迁，而黑色对角线则代表级联跃迁。）
引用：
[1]https://qutech.nl/2021/01/04/reading-out-qubits-like-toppling-dominoes-a-new-scalable-approach-towards-the-quantum-computer/?cn-reloaded=1
[2]https://www.nature.com/articles/s41467-020-20388-6
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