文章导读
在追求大规模量子计算的路上，我们是否总是受制于“存储短、集成难”的瓶颈？清华大学团队的最新研究，或许为我们打开了一扇新的大门。他们创新性地将纳米级的磁斯格明子与波长极短的表面声波结合，构建出一种全新的混合量子系统。该方案不仅解决了信息存储和传输的微型化难题，更实现了量子比特与声子间的强耦合操控，为未来高密度、可扩展的片上量子信息处理提供了极具潜力的全新路径。
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随着量子信息技术的快速发展，构建大规模、可扩展的量子计算系统成为全球竞争的焦点。现有主流超导量子计算方案虽然运算速度较快，但信息存储时间较短，且信息传输依赖于大尺寸的微波传输线及谐振腔。这些因素极大地限制了超导量子芯片高密度集成与扩展。
图1. 系统装置示意图
近来，清华大学集成电路学院刘玉玺教授团队提出并设计了由磁斯格明子量子比特与表面声波腔构成的混合量子系统。斯格明子是一种具有拓扑稳定性的磁性准粒子，尺寸可达纳米量级，具有系统参数设计灵活的特点，是构建紧凑型量子信息存储比特的理想备选对象。另一方面，表面声波在相同频率下的波长比电磁波小约五个数量级，这使其谐振腔尺寸比微波谐振腔至少小三个量级。同时，这类腔的自由光谱范围较窄，可支持多个长寿命的模式。因此，表面声波腔适合作为微型化的量子数据总线或寄存器，实现量子信息在处理器与存储器之间的有效传输。
图2.研究结果
研究团队通过理论计算与分析，深入揭示了该系统中斯格明子量子比特与表面声波声子间的强耦合机制。利用外部磁场调控斯格明子量子比特，可实现比特寻址特定声子模式、比特诱导特定声子模式间的相互耦合以及声子诱导比特间的相互耦合，这些操控均可工作在强耦合区域。这意味着量子信息可以在比特与声子、声子与声子以及比特与比特之间有效地传递，为进一步实现高保真量子逻辑门操作提供了潜在可能。通过结合已有的斯格明子位置调控手段，该混合量子系统还可进一步拓展到多比特系统。
该设计方案具有尺寸小、集成度高、可调控性强等显著优势，同时也可与超导量子计算芯片进一步集成，为高密度片上量子信息处理提供了新的解决思路。
研究成果以“基于斯格明子量子比特与量子化表面声波的混合量子信息处理”（Hybrid quantum surface acoustic wave with skyrmion qubit for quantum information processing）为题，于1月6日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
清华大学集成电路学院博士后陈煜远为论文第一作者，集成电路学院教授刘玉玺为论文通讯作者。湖南师范大学教授彭智慧参与了研究。研究得到国家自然科学基金委重大研究计划项目和面上项目的支持。
论文链接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/3tz7-pqqq
供稿：集成电路学院
编辑：李华山
审核：郭玲
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