量子芯片传感器与布线，将大幅缩减

量子计算机是一种利用量子力学效应处理信息的设备，能够完成经典计算机难以实现、甚至无法解决的部分运算任务。这类系统以量子比特为数据载体，量子比特作为信息单元可同时处于多种叠加状态；而经典计算机依靠比特存储数据，仅能通过二进制数值（0 或 1）呈现信息，二者存在本质区别。

近年来研发的部分量子计算机，将量子信息储存于束缚在半导体微结构（量子点）内的电子或原子核自旋之中。然而，要保障此类设备稳定运行，工程师必须精准完成自旋量子比特的量子态测量，该过程被称作量子比特读出。与此同时，若能采用结构紧凑的方案完成高精度态测量，也就是使用空间利用率更高的硬件，替代大量体积庞大的元器件，将进一步提升设备优势。

量子运动科技公司与伦敦大学学院的研究团队近期提出一种全新方案，借助高频电信号实现自旋量子比特态的清晰读出。该研究成果发表于《自然・电子学》期刊，由Jacob F. Chittock-Wood及其团队研发完成。

该论文第一作者、现任职于日本理化学研究所的博士后研究员Jacob F. Chittock-Wood在接受采访时表示：“我们最初的研究目标，是对基于工业级芯片工艺制造的新一代量子器件进行特性表征。但在测试过程中，我们意外捕捉到特殊信号，由此发现了一种全新的自旋量子比特读出方式。随后，我们利用这项技术完成了两个电子自旋间交换相互作用的测量，而该相互作用正是自旋基量子计算机中双量子比特运算的核心基础。”

双电子自旋间的交换振荡

射频级联放大微弱信号

Chittock-Wood团队研发的新型自旋量子比特态测量技术，命名为射频电子级联读出技术。该方法利用射频信号，驱动半导体量子点器件内部电荷往复运动。

Chittock-Wood解释道：“电荷的运动耦合至储能区，会产生更强的响应信号，有效放大原本极其微弱的原始信号。该技术的独特之处在于，整个放大过程会随射频驱动持续循环运行，而非一次性的单次级联反应。我们已在平面硅基金属氧化物半导体自旋量子比特器件中，通过实验验证了这一效应。”

在本次研究中，科研人员将该技术搭载于量子处理器原型机，测试其区分不同自旋量子态的能力。实验结果显示，该方案可输出清晰度大幅提升的信号，信噪比提升幅度超过 35 分贝。值得关注的是，该团队可在约 7.6 微秒内，稳定完成双电子自旋态读出。除此之外，依托此项技术，研究人员实现了自旋量子比特的相干操控，满足量子逻辑运算的核心条件。

Chittock-Wood指出：“量子计算流程的最后阶段，必须对量子比特进行测量以输出运算结果。半导体自旋量子比特通常依靠外置电荷传感器完成读出，但这类传感器会增加芯片设计复杂度，占用大量芯片核心面积。我们研发的射频电子级联读出技术，通过高效放大弱信号，提供了一种紧凑型替代方案。在同款平面硅基金属氧化物半导体器件平台上，该技术让色散读出速度提升数百倍，同时保持原有运算性能不变。”

迈向规模化量子计算的重要突破

该团队研发的自旋量子比特读出技术，后续有望持续优化，并推广应用于更大规模的量子处理器。未来，这项技术还有望实现远距离量子比特态读出，让多颗量子比特共用一套读出硬件架构。

本次研究在测量清晰度与运算速度上取得的突破，或将启发业内研发更多基于射频原理的自旋读出技术。长远来看，此类新型读出方案将推动量子计算机技术迭代升级，助力量子设备从实验室小型样机，迈向可落地商用的大型全功能处理器。

Chittock-Wood补充道：“该技术的核心优势在于，理论上可实现多量子比特并行测量，且共用同一套读出系统。下一阶段，我们计划将该技术拓展至大规模量子比特阵列，验证远距离多路复用读出的可行性。一旦研发成功，将大幅减少量子芯片规模化量产所需的传感器数量与布线规模。”