自旋量子比特与半导体制造工艺兼容，但其性能高度依赖于电场与器件条件，这一点在锗材料中尤为显著。然而，QuTech 的研究团队最近证明，这种敏感性并非必须规避，反而可以通过调节操作模式加以利用。他们成功展示了一款平面结构的十量子比特锗处理器，采用二维布局，实现了全局范围内的高保真度控制，并且每个量子比特可与四个相邻比特相连——这对实现量子纠错至关重要。
这一成果标志着半导体自旋量子比特研究迈入新的里程碑。
“这是我们首次系统性地在如此规模的二维阵列中实现操作，”博士研究员 Valentin John 表示。他与 Cécile Yu 同为论文第一作者。“通过增加量子比特数量并拓展至二维空间，我们正在量子计算的两个关键维度上同步推进。”
该器件基于应变锗异质结构（Ge/SiGe）制造，这一材料体系具备强自旋-轨道耦合特性。研究人员通过在结构上方排列金属栅极电极，构建出可限制单个空穴的静电势阱。空穴作为电子的正电荷对应物，被约束于量子点中。
芯片上的十个量子点排列为 3–4–3 结构，其中两个中心量子比特各自与四个相邻比特相连。这种更高的连接度对于实现二维纠错编码极为关键，而后者正是构建容错量子计算系统的核心。
QuTech 首席研究员 Menno Veldhorst
指出：“拥有一个能与四个相邻量子比特交互的中心比特，并不仅仅是几何结构上的新奇设计，更是实现量子纠错所必需的连接方式——量子比特必须在二维空间中相互作用。”
除了阵列规模与几何布局，研究团队还实现了所有十个量子比特的高保真度操控，单量子比特门在阵列中的保真度超过 99%。他们还系统性地探索了如何实现最稳定且局域化的量子比特操作，这是实现系统扩展的重要一步。
通过调节每个量子点中的空穴数量（一个、三个或五个）以及驱动时所使用的顶部栅极选择，研究人员发现了一个明确的最优配置。Valentin John 解释道：“我们发现，采用三空穴结构，由顶部栅极驱动，并在略微倾斜的磁场下操作量子比特，可获得最高效率和最稳健的性能。这种配置能最大程度减少邻近量子比特之间的串扰，并确保整个阵列中的控制一致性。”
锗自旋量子比特的物理机制为实验进展提供了理论支持。通过与 CEA 格勒诺布尔团队合作进行的解析与数值模拟表明，性能提升源于相关量子态的各向异性特征。在三空穴区域，自旋波函数呈现出更具方向性的 p 型特征，而非单空穴中近乎对称的形态。这赋予量子比特一种“个性”：三空穴自旋更容易受到顶部栅极所施加振荡电场的驱动，从而增强了电驱动与自旋态之间的耦合，实现了更快、更高效的量子比特控制。
这项研究表明，只要深入理解其底层物理机制，自旋空穴量子比特的“复杂性”可转化为实际优势。通过识别空穴自旋对局部电场具有可预测且强烈响应的区域，研究人员证明即便在密集的二维阵列中也能实现稳定操作。这揭示了一个关键启示：推动量子硬件工程的发展，依然依赖于对相关量子物理的深刻洞察。
图1：锗中的高精度10自旋量子比特阵列
