光子之外新路径：量子声子链路，面向百万级量子比特互连

半导体量子计算机面临布线难题：自旋量子比特可以和相邻比特很好地交互，但要实现芯片内远距离互连，就需要复杂的变通方案。想要完成具备商用价值的计算任务，量子计算机大约需要10万‑100万个量子比特，而这一互连瓶颈严重阻碍了规模扩展。

如今，英国华威大学与加拿大国家研究委员会（NRC Canada）的研究团队提出全新方案：把通信信道直接集成到承载量子比特的应变锗层当中。

量子声子链路（QPL）芯片架构示意图。

该方案利用类声波振动 —— 声子，在芯片材料内部传播，以此实现远距离量子比特之间的互连。相关论文将这套技术命名为量子声子链路（Quantum Phononic Links，QPL）。

先看EPFL的技术路线：利用光子实现量子比特互连

华威大学这项研究有一个重要的前期参考，来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的国际科研团队。2024年，该团队将超导微波谐振器用作高速量子通信信道。

研究人员把锗 “空穴型” 量子比特安置在微型超导传输结构旁，该结构可以捕获光子，由此实现被束缚的空穴与微波光子之间的强耦合效应。这套装置捕获光子，让光子在结构内来回振荡，与量子比特产生极强的相互作用，实现能量的无缝交换。

EPFL量子硬件显微示意图，超导微波谐振器直接耦合锗量子点，实现量子比特远距离通信。

光子是高效的信息载体，在芯片内传输时不容易破坏脆弱的量子态。EPFL团队把光子改造为可靠的信号媒介，能够瞬间把相距较远的量子比特连接起来。除此之外，谐振器还兼具信号放大器的作用，大幅提升量子比特状态的检测能力。这项研究把半导体平台适合大规模制造的优势，和超导器件的远距离组网能力结合到一起。

新方案：在芯片内部使用声波

华威大学与加拿大国家研究委员会团队采用了另一条技术路线。不再依靠外部超导谐振器传输微波光子，而是提出使用声子（量子化声波），让声子直接在承载量子比特的压应变锗层中传播。

关键在于压应变锗中的空穴自旋具备特殊性质：这类自旋对晶格微小的机械形变（应变）十分敏感。当声子经过时，它带来的振动就可以微调空穴自旋的能级，不需要转换成电场，依靠机械应变本身即可完成耦合。这种应变还会解除轻空穴带与重空穴带的简并，产生约49毫电子伏特（meV）的能级分裂，让空穴自旋态区分度更高，更容易实现独立操控。

声波在锗介质中的传播速度低于周边硅锗材料，因此这层薄薄的锗量子阱可以自然约束、引导声子，原理类似光纤纤芯传导光信号。通信信道直接构建在量子比特所在材料内部，无需外接谐振器、天线或者压电换能器。

受导声学模式与栅极定义空穴自旋量子比特的静电、应变耦合仿真。A：器件三维示意图，压应变锗层上制作图案化栅极电极，同时承载量子比特和声子信道；B：受导声学模式的场分布仿真；C：栅极下方场强度截面分布图；D：应变场波峰波谷与双量子点位置对应曲线。

在适配量子比特工作的频率下，声子波长仅为100‑500纳米，远小于微波谐振器厘米级别的波长，因此通信信道占用的芯片面积要小得多。

该材料体系不具备压电特性，因此可以规避其他声学方案普遍存在的电气噪声源。通过调整量子比特栅极电压，可以在约1纳秒内开启或关闭耦合。在稀释制冷机的毫开尔文工作温度下，热能量很低，不会激发这些吉赫兹（GHz）频段的声子，系统可以维持单声子工作区间。仿真显示，自旋‑声子耦合强度处于0.1‑10兆赫兹（MHz）区间。

对规模化量子计算的意义

如果仿真预测能够在实验中得到验证，这套方案相比现有技术具备多项现实优势。通信信道与量子比特共同制备在兼容CMOS工艺的锗层内部，不再需要超导谐振器以及外部换能器件。

论文作者还提到，理论上这套声子信道也可以作为接口，实现半导体自旋量子比特与其他类型量子硬件的互通。整套方案基于成熟半导体材料与工艺，如果从仿真走向实物，就可以兼容现有芯片产线。

微波谐振器虽然已经实现远距离耦合，但会占用芯片面积，同时带来额外制造成本。而量子声子链路（QPL）提供了一条新思路：直接用存储量子信息的材料本身充当通信介质。

这是一种原生材料级架构：无需外置谐振器、规避压电噪声、声子波长达到纳米尺度。QPL从根源去解决互连难题，而不是在芯片外围堆砌更多硬件。该构想能否加工成可用硬件，还需要后续实验验证。但目前，它已经为解决半导体量子计算机规模化的核心工程难题，指明了一条原生材料层面的技术路线。