电子自旋由于其长的相干时间对量子计算具有来说具有广阔的前景。自旋的长距离相干耦合是利用自旋量子位进行量子信息处理的决定性步骤。实现远程自旋量子位之间的相互作用的一种方法是使用光子作为量子信息的载体。近日，苏黎世联邦理工学院、谢布克大学和加拿大高级研究所的科学家展示了铌-氮化钛高阻抗谐振器中的单个微波光子和由三个量子点组成的砷化镓器件中的三电子自旋量子比特（也称为谐振交换量子比特）之间的强耦合。相关内容以《Coherent spin–photon coupling using a resonant exchange qubit》为题发表在《Nature》杂志上。

图1 混合量子器件和真空Rabi分裂 a 该器件的光学显微照片分为三个部分： 谐振腔，它与输入和输出传输线的电容耦合b 由电子束光刻定义的栅极结构的假彩色扫描电子显微照片 c由强自旋-光子耦合造成的真空Rabi模式分裂

人们一直期望利用量子信息处理器获得长距离传输量子信息的能力。电路量子电动力学为连接远距离量子位提供了一个成熟的平台：超导波导谐振腔中的微波光子耦合到靠近谐振腔的多个量子位的电偶极矩。人们已经利用超导量子比特实现了强的量子位-光子耦合，最近，半导体量子点中电荷量子位的相干特性得到了充分改善，可实现强耦合。通过将量子信息从电子电荷转移到自旋，人们可以获得更好的相干性。然而，这种方法带来了一个重大挑战，因为光子与自旋的耦合比它们与电荷的耦合弱几个数量级。

图2 自旋量子比特运算机制

通过向自旋状态引入电偶极矩可以克服这一挑战。对于单电子自旋量子位，通过使用具有强自旋轨道耦合的材料，具有铁磁引线的器件或由片上微磁体产生的磁场梯度来耦合自旋和电荷。另外一种不同的路径是在谐振交换量子比特中实现，自旋交换相互作用的具有相等的三电子电荷分布和相等的总自旋，但是不同自旋排列的两种状态。这种相互作用还产生电偶极矩，使得能够进行相干的量子位-光子耦合。

在研究中，作者观察到谐振腔谐振的真空Rabi模式分裂，这是强耦合的标志; 具体现象是观察到约31MHz的相干耦合强度和约20MHz的量子比特退相干率。科学化可以通过静电作用调谐退相干，在大约23MHz的耦合强度下可以获得大约10MHz的最小退相干率。利用“AC Stark”效应直接测量量子比特-光子耦合强度和量子比特的可调电偶极矩的关系。测量结果显示谐振腔中的平均光子数约为0.3，这也证实了作者确实实现了自旋量子位与单个微波光子的强烈杂化。实现三电子自旋量子比特的强量子比特-光子耦合是迈向长距离相干耦合自旋量子比特的重要步骤。同时，在此项研究开展的同时，科学家们还发现了独立但是相关的工作，实现了硅中双量子点自旋量子位的强自旋-光子耦合。

图3 谐振器响应

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