全新量子芯片架构，利用芯片内置振动实现远距离量子比特互联

华威大学研究人员提出一项全新技术方案，有望攻克大规模量子计算机研发的核心难题：实现单颗芯片内海量量子比特之间的远距离通信。

该研究成果发表于《APL Quantum》期刊。华威大学与加拿大国家研究院（NRC Canada）的研究团队提出量子声子链路（QPL） 新概念，这是一种全新的量子比特通信方案。该技术借助特制材料中传播的类声波振动，在物理位置相隔很远的量子比特之间传递量子信息。

当前主流量子芯片仅能实现相邻量子比特的直接通信。若要制造具备实用价值的量子计算机，工程师需要让整颗半导体芯片上数百万个分散的量子比特协同工作，而非仅局限于小范围相邻比特集群。该团队提出的方案将声波振动（即声子）作为芯片原生通信载体，让量子比特能够跨越比现有技术远得多的距离交换量子信息。

“量子计算领域的一大核心瓶颈，就是量子比特的远距离互联能力。” 华威大学物理系 Maksym Myronov 博士表示，“我们的研究提出了全新方案：将声子作为量子总线，让远距离量子比特完成量子信息交互，同时该技术完全兼容现有半导体制造工艺。”

量子声子链路中受导横向主导声学声子模式的 COMSOL 有限元仿真图；振动沿 Y 轴方向、声波沿 X 轴传播

这套技术方案依托一种特殊材料 ——硅基压应变锗（cs-GoS），该材料由华威大学采用先进外延生长技术首创。在该材料体系中，量子比特对超薄锗晶体层中传播的微小振动格外敏感。在该材料体系中，压应变可调控出多项适配自旋量子比特实用化的优良特性：基态呈现轻空穴特性、面内有效质量极小；自旋轨道耦合效应强且可调；有效 g 因子数值大，还可通过电压灵活调控。 最关键的一点：压应变锗内的空穴自旋态对晶格形变高度敏感，借助应变诱发的自旋轨道效应，可直接让自旋与机械声波振动实现耦合。这一特性是电子自旋不具备的，由此衍生出以声子为媒介的耦合方案，无需依赖电磁场或表面声波。

研究人员通过精密设计、调控这类晶格振动，从理论层面验证：无论量子比特彼此紧邻，还是分散在直径最高 300 毫米的整片半导体芯片两端，量子信息均可实现比特间传输。

量子声子链路是经过精密设计的声子波导与谐振腔，可将声学振动模式高度束缚、引导至纳米级厚度的压应变锗量子阱外延层中，依靠应变实现声子与空穴自旋的直接相干耦合。声学振动传播速度慢、波长较短，依托这一特性，量子声子链路可搭建相干传输通道，传输距离覆盖亚微米级至整片晶圆（目前最大晶圆直径 300 毫米）；同时该方案具备频率筛选能力，结构简洁、器件体积小巧。

现有的远距离量子比特互联技术，大多依赖微波信号或外部生成的表面声波，往往需要复杂电路设计，还要在芯片外额外加装配套硬件。与之相比，量子声子链路直接集成在承载量子比特的半导体基材内部。由于该方案与成熟半导体量产工艺兼容，未来有望打造出体积更小、成本更低、可规模化量产的商用量子处理器。