引 言

量子计算架构的可扩展性和强大性能关键依赖于高保真操作以及稳健灵活的量子比特连接性。然而，在传统的固态量子芯片上，量子比特通常被固定在各自的位置，只能与近邻的比特直接相互作用，这限制了量子纠错码的选择，也增加了硬件开销。移动量子比特为解决这一困难提供了一种非常可靠的方案，并已在基于囚禁离子以及利用光镊操控的中性原子系统中得到验证。然而在固态体系中，尽管已实现了高相干电子自旋输运（coherent electron-spin shuttling），但能否直接在移动量子比特上实施门操作仍然是个问题。

2026年5月，荷兰代尔夫特理工大学Lieven M. K. Vandersypen教授课题组在《nature》发表的一篇论文显示，在基于28Si/SiGe异质结构造的六量子点阵列展示了移动自旋量子比特高保真两比特门操控和量子隐形传态。在该研究中，当他们将两个间隔270nm(跨越四个量子点)的自旋比特同时相向移动120纳米，实现了保真度高达98.86%±0.29%的受控相位门（CZ门）。此外，他们实现了距离320纳米的量子比特之间的量子态隐形传态，传态过程的平均保真度达到86.7%±0.9%，展示了移动自旋量子比特在非局域量子信息处理中的潜力。

第一章 移动自旋量子比特与传送架构

图1 移动自旋量子比特与输运架构。(a)基于输送机模式穿梭的可扩展移动自旋量子比特处理器的概念架构；(b)(d)平行自旋概率随驱动频率对共振频率f_ref(Q₂为11.657GHz，Q₅为11.999 GHz)的失谐及微波脉冲时长变化的函数;(d)彩色扫描电子显微镜图像(e) EDSR共振谱随微波驱动频率和输运循环次数（左轴）的函数。

文章中提出通过对阵列栅极施加相位错开的正弦信号，可形成行波电势（travelling-wave potential），将电子限制在移动电势阱（moving potential well）中并沿量子点阵列连续输运；从图1(e)的EDSR共振谱中可以看出，两个量子比特的共振频率随输运循环数逐渐变化，表明自旋在通道内平滑输运，并在彼此接近时出现相互作用特征。基于该方案，文章设计了可扩展的移动量子比特处理器架构：如图1a所示，静态量子点作为存储区，两条独立传送通道在交互区交汇，阵列两端设置电荷探测器与辅助量子比特实现并行读出；实验中利用六个量子点的线性阵列，通过钴微磁体产生磁场梯度用于单比特操控，成功实现了两个自旋比特（Q₂和Q₅）的独立、可控相向移动。

第二章 移动自旋量子比特的交换作用与相干性

图2 移动自旋量子比特的交换与相干性(a)显示DCPhase振荡随等待时间和输运循环数变化的二维图(b)不同B₃脉冲偏置下，交换耦合强度J随输运循环数变化的曲线图(c)显示穿梭过程中两个移动势极小值的演变的模拟电位剖面图，其中c代表施加的输运循环次数。(d)相邻自旋在不同状态下，两个量子比特的退相干时间T₂*和交换耦合强度J随输运循环次数变化的图像(e)不同循环数c在延展量子点构型下对应的模拟电势剖面。（f）合并构型下，在不同自旋状态下，两个量子比特的退相干时间T₂*和交换耦合强度J随输运循环次数变化的图像，图中交换耦合强度存在饱和值。

研究者利用解耦受控相位（DCPhase）脉冲序列系统地表征了两个移动自旋比特之间的交换耦合强度J对输运循环数及中央势垒电压的依赖关系：随着两个量子点从两侧向中心靠近，J呈现指数增长，最高可达90 MHz，由于两个量子点最终能够完全合并（该状态下有利于形成Wigner分子态），交换耦合强度J对输运循环数的变化曲线(如图2(f))存在饱和区；同时通过调节B3栅极的脉冲偏压可在较宽范围内连续调控J值。

为了实现更高保真度的两比特门，需要同时权衡交换耦合强度J和相干时间T₂*。相干性测试表明，电子在移动过程中的退相干时间T₂*因运动平均而普遍优于静态点。因此，文章中选定约0.9个输运循环周期、J≈33 MHz 的工作点，在该条件下既能获得足够快的门操作速度又维持了良好的相干性，为后续高保真CZ门的实现提供了最优参数。

第三章 基于穿梭输运的CZ门的保真度测试

图3 CZ门的保真度基准测试(a)栅极电极以及模拟电势剖面的示意图，静态量子点阶段(暗线)和传送阶段(淡线)；(b)在CZ门操作中，交换耦合强度J与名义位移随时间演化的示意图；(c)CZ门的校准测量，Q₂(左)和Q₅(右)的自旋概率振荡随施加的虚拟相位移θ的震荡示意图；(d)交错随机基准测试结果，展示了参考序列(红色)和交错CZ门序列(蓝色)的返回概率与Clifford操作次数的关系

该研究设计了一套兼顾速度与绝热性的穿梭式CZ门脉冲序列(shuttling-based conditional-Z (CZ) gate.)：首先在2ns内将电子从静态量子点Q₂和Q₅输运至传送通道的起始位置(initial conveyor potential)，随后以22.5m/s的速度使两个自旋快速接近（2ns），再以1.8 m/s的速度慢速交互（25ns）激活交换相互作用，最后对称返回，总的操纵时间为 58ns。基于交错随机基准测试（interleaved randomized benchmarking）评估， CZ 门的平均保真度为98.86%±0.29%，充分证明了基于穿梭输运(shuttling-based)的两比特门已达到高保真水平。

第四章 移动自旋量子比特的条件后选量子隐形传态

图4 量子态隐形传态(a)用于移动自旋量子比特的瞬移量子电路，分为状态准备（蓝色）、bell态测量（绿色）和验证（红色）部分(b) 通过行量子过程层析获得的理想和实验的X操作的泡利转移矩阵，红/蓝柱分别表示正/负矩阵元。

为了证明利用移动自旋量子比特方法可以产生的空间分离纠缠自旋对，文章在最后演示了条件后选（conditional post-selected）量子态隐形传态，实验电路分为三部分：首先将待传量子比特Q₆制备到任意态，同时通过穿梭与CZ门将Q₂和Q₅制备为贝尔态（纠缠对）；随后对Q₅和Q₆执行贝尔态测量；最后对Q₂进行量子态层析以重构传输后的状态。该研究成果成功将Q₆的量子态传输到相距320nm的Q₂上，并实现了平均保真度为86.7%±0.9%的X门，高于2/3的经典上限，证明该协议实现了真正的量子隐形传态。

第五章 总结与展望

综上所述，本研究首次在硅基半导体量子点平台上实现了移动自旋量子比特之间的高保真两比特门（CZ门保真度约99%）以及量子隐形传态（传输保真度约87%），证实了通过传送带模式操控电子自旋进行量子信息处理的可行性。研究发现，移动过程中的运动平均效应可提升相干时间，而交换相互作用可通过穿梭距离和势垒电压精确调控，为可重构量子计算架构奠定了实验基础。展望未来，该方案与现有半导体制造工艺高度兼容，有望通过设计专用的存储区、交互区与读出区，构建大规模、可扩展的移动量子比特处理器。进一步优化穿梭速度、降低电荷噪声影响、发展确定性贝尔态测量方法，将助力实现更高效的容错量子计算与分布式量子网络。

参考文献：Matsumoto, Y., De Smet, M., Tryputen, L. et al. Two-qubit logic and teleportation with mobile spin qubits in silicon. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10423-9