引言

基于硅基量子点编码的自旋量子比特由于其与传统半导体制造工艺的固有兼容性，被认为是实现大规模量子计算机最有希望的平台之一。由量子态构成的量子比特非常脆弱，会与环境相互作用而导致退相干，通常这一退相干时间很短。而并行操作能够最小化量子比特空闲时间，充分利用单个量子比特的有限相干性。另外，并行操作对于有效纠错以实现容错计算至关重要，这也使得实现多量子比特的高效并行操作成为量子计算机迈向大规模扩展的必经之路。近日，英特尔研究团队在《Nature》上发表题为“Operating two exchange-only qubits in parallel”的期刊论文，首次实现了半导体量子点系统中纯交换量子比特的并行操作。另外，该工作在实验上实现了纯交换量子比特的iSWAP门操作以及由于交换脉冲的并行化导致总持续时间减少的两量子比特门。此外，该团队还开发了电荷锁定泡利自旋阻塞（PSB）读出方法，并首次在基于半导体技术的量子系统上应用了交叉熵基准测试（XEB）。

第一章：实验实现

量子点器件的量子信息通常被编码在一个或者多个自旋上，那么，该研究为什么要选择交换型量子比特来编码量子比特呢？与由单个自旋编码的量子比特相比，交换型量子比特的量子信息被编码在三个电子的集体自旋上，这种类型的量子比特可以实现纯电控，所有操作（单比特和双比特门）仅通过低频电压脉冲动态调控交换耦合即可完成，无需高频微波脉冲，这极大地简化控制系统、芯片设计和校准过程，有利于未来大规模的二维阵列扩展。但是，虽然交换型量子比特的高保真顺序操作已被演示，但其并行操作的可行性及其对门保真度的实际影响，此前尚未被充分探索。

文章选用英特尔开发的12量子比特Tunnel Falls样品（如下图），利用中间的6个量子点来编码两个交换型量子比特。

图1 器件和实验脉冲序列；（a）左边是被应用在该系统中的脉冲序列，右边是Tunnel Falls样品的扫描电镜图；（b）在所有呈现的测量中使用的电荷锁定读出序列；（c）态的量子态层析图

第二章：半导体量子器件的串扰管理

半导体量子器件的信号串扰来源于：（1）电极的电容耦合会影响到临近量子点；（2）片上信号路径；（3）片外信号路径。现有的方案通过一个称为“虚栅”（Virtual Gate）的过程，能够对电容耦合串扰进行了部分校正，实现了量子点电化学势的正交控制。但是，以往的研究虽然实现了正交控制，但在利用它对交换耦合进行补偿时，降低了交换耦合的可调性，这是我们不愿意看到的。

因此，针对并行交换量子比特门，该工作引入次近邻补偿，仅对来自次近邻的串扰进行管理，使得势垒校准对平行脉冲不敏感。

图2 同步交换脉冲，（a）（b）交换指纹图（Exchange fingerprint），其中（b）图在（a）图的基础上同时在B₆加上电压来模拟QD₅-QD₆的交换脉冲，可以看到两个指纹图的区别；（c）是指纹图的虚线处的截面图，说明了由于同时脉冲引起的交换耦合的变化；（d）不同补偿方案下B₆和B₈电极同时交换脉冲过程中的电势景观定性图。

第三章：并行化量子比特门

那么，在应用了前述串扰补偿技术后，对比于顺序单量子比特门，并行化单量子比特门的保真度是否会有影响呢？文中利用N个 Clifford门的随机序列，拟合了返回概率随序列长度增加的衰减函数，可以得到Q₁的Clifford门保真度是99.84±0.02%，Q₂是99.41±0.03%。在进行并行单量子比特操作时，Q₁的Clifford门保真度是99.77±0.02%，Q₂是99.36±0.03%，对比顺序操作，保真度仅有0.05–0.07%的下降，这验证了串扰管理技术的有效性，并成功实现了对两个相邻交换型量子比特的同步控制。

图3 单量子比特门的串行Vs并行操作

交换脉冲的并行化同样对双量子比特门（如CNOT、iSWAP、SWAP）意义重大，对交换型量子比特而言，双量子比特门通常由很长的交换脉冲序列构成（例如CNOT需23个脉冲），导致门持续时间长，更容易受退相干影响。研究通过识别并并行化执行那些对易的脉冲，将23脉冲长的CNOT序列减少到15个步长，28脉冲长的iSWAP序列减少到17个步长，9脉冲长的SWAP序列减少到5个，有效地缩短了门持续时间，这使得两量子比特门的持续时间减少了大约40 %。

通过双量子比特随机化基准测试和交叉基准测试，对顺序与并行操作的性能进行了系统的比较（如下图）。可以得到保真度的对比：

该研究首次实验演示了交换型量子比特的 iSWAP门，并通过量子态层析验证了其正确的相位操作，且成功实现了双量子比特操作的并行化，在几乎不损失保真度的前提下，大幅缩短了门时间，这是走向实用化量子计算的关键一步。

图4 双量子比特门的串行Vs并行操作。色块分别表明交换脉冲具有^π-rotation（绿色）,，3/2^πrotation（黄色）和1/2^π-rotation（蓝色），橙色表示特定门实现所需的自定义旋转角度。

第四章：交叉熵基准测试

研究选用交叉熵基准测试（XEB）作为性能评估的最终实验，首次在半导体量子点系统上成功实施XEB，测量了顺序和并行操作模式下每个周期的XEB的保真度分别是为96.8%和97.0%（如下图），两者在误差范围内，说明并行操作模式并未引入额外的性能损失，这为将并行化操作扩展到更大规模系统并运行有意义的量子算法铺平了道路。

图5 两量子比特XEB。（a）（b）采用顺序交换脉冲；（c）（d）采用并行化交换脉冲。

最终章：总结与展望

 该研究展示了交换型量子比特在半导体量子点平台中实现高保真度并行操作的显著潜力。通过创新性的“次近邻串扰补偿”和脉冲预失真技术，实现了两个交换型量子比特的单/双门并行控制，且其保真度与顺序操作相当。这一全电控方案避免了微波操控的复杂性，与硅基半导体工艺高度兼容，为构建大规模二维量子处理器奠定了关键技术基础。未来可通过优化势垒耦合校准精度、开发自动化并行校准流程、以及集成低温控制芯片，进一步推动系统向百比特规模扩展。长期来看，该平台不仅有望实现中等规模专用量子计算与模拟，其高精度并行控制框架也为探索多体量子纠缠动力学和规模化量子纠错提供了理想的实验平台。

原文链接：M?dzik, M.T., Luthi, F., Guerreschi, G.G. et al. Operating two exchange-only qubits in parallel. Nature 647, 870–875 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09767-5