清華新聞網(wǎng)1月13日電 隨著量子信息技術(shù)的快速發(fā)展，構(gòu)建大規(guī)模、可擴(kuò)展的量子計(jì)算系統(tǒng)成為全球競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)?，F(xiàn)有主流超導(dǎo)量子計(jì)算方案雖然運(yùn)算速度較快，但信息存儲(chǔ)時(shí)間較短，且信息傳輸依賴(lài)于大尺寸的微波傳輸線(xiàn)及諧振腔。這些因素極大地限制了超導(dǎo)量子芯片高密度集成與擴(kuò)展。
圖1. 系統(tǒng)裝置示意圖
近來(lái)，清華大學(xué)集成電路學(xué)院劉玉璽教授團(tuán)隊(duì)提出并設(shè)計(jì)了由磁斯格明子量子比特與表面聲波腔構(gòu)成的混合量子系統(tǒng)。斯格明子是一種具有拓?fù)浞€(wěn)定性的磁性準(zhǔn)粒子，尺寸可達(dá)納米量級(jí)，具有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，是構(gòu)建緊湊型量子信息存儲(chǔ)比特的理想備選對(duì)象。另一方面，表面聲波在相同頻率下的波長(zhǎng)比電磁波小約五個(gè)數(shù)量級(jí)，這使其諧振腔尺寸比微波諧振腔至少小三個(gè)量級(jí)。同時(shí)，這類(lèi)腔的自由光譜范圍較窄，可支持多個(gè)長(zhǎng)壽命的模式。因此，表面聲波腔適合作為微型化的量子數(shù)據(jù)總線(xiàn)或寄存器，實(shí)現(xiàn)量子信息在處理器與存儲(chǔ)器之間的有效傳輸。
圖2.研究結(jié)果
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論計(jì)算與分析，深入揭示了該系統(tǒng)中斯格明子量子比特與表面聲波聲子間的強(qiáng)耦合機(jī)制。利用外部磁場(chǎng)調(diào)控斯格明子量子比特，可實(shí)現(xiàn)比特尋址特定聲子模式、比特誘導(dǎo)特定聲子模式間的相互耦合以及聲子誘導(dǎo)比特間的相互耦合，這些操控均可工作在強(qiáng)耦合區(qū)域。這意味著量子信息可以在比特與聲子、聲子與聲子以及比特與比特之間有效地傳遞，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高保真量子邏輯門(mén)操作提供了潛在可能。通過(guò)結(jié)合已有的斯格明子位置調(diào)控手段，該混合量子系統(tǒng)還可進(jìn)一步拓展到多比特系統(tǒng)。
該設(shè)計(jì)方案具有尺寸小、集成度高、可調(diào)控性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可與超導(dǎo)量子計(jì)算芯片進(jìn)一步集成，為高密度片上量子信息處理提供了新的解決思路。
研究成果以“基于斯格明子量子比特與量子化表面聲波的混合量子信息處理”（Hybrid quantum surface acoustic wave with skyrmion qubit for quantum information processing）為題，于1月6日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
清華大學(xué)集成電路學(xué)院博士后陳煜遠(yuǎn)為論文第一作者，集成電路學(xué)院教授劉玉璽為論文通訊作者。湖南師范大學(xué)教授彭智慧參與了研究。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃項(xiàng)目和面上項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/3tz7-pqqq
供稿：集成電路學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
