我國科學(xué)家將自旋量子比特壽命提高兩個(gè)數(shù)量級以上

    中國科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與其合作者在國際上首次發(fā)現(xiàn)了硅基自旋量子比特弛豫的強(qiáng)各向異性：通過改變外加磁場與硅片晶向的相對方向，可以將自旋量子比特壽命提高兩個(gè)數(shù)量級以上。

    硅基自旋量子比特以其超長的量子退相干時(shí)間，以及與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝技術(shù)兼容的高可擴(kuò)展性，成為量子計(jì)算研究的核心方向之一。近幾年，基于硅平面晶體管（Si MOS）和硅鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的自旋量子比特的弛豫時(shí)間已經(jīng)超過百毫秒，量子退相干時(shí)間也已超過百微秒，其單比特控制保真度可以達(dá)到99.9%，兩比特控制保真度可以達(dá)到98%，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等國際巨頭企業(yè)均已利用自身在半導(dǎo)體工業(yè)的優(yōu)勢積累，開始參與硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算研究。然而，硅基量子點(diǎn)中的谷能級和自旋在有些情況先會(huì)發(fā)生相互混合(自旋-谷混合)，限制自旋量子比特的操控保真度，阻礙了硅基自旋量子比特的進(jìn)一步擴(kuò)展。

    為了抑制自旋-谷混合的不利影響，理論上一種方法是增加硅量子點(diǎn)中的谷能級劈裂的大小，使得自旋量子比特操控點(diǎn)遠(yuǎn)離自旋-谷混合的位置，另一種方法是調(diào)節(jié)自旋-谷混合的強(qiáng)度，來抑制其不利影響。中科大研究團(tuán)隊(duì)及其合作者們通過制備高質(zhì)量的Si MOS量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自旋量子比特的單發(fā)讀出，并以此測量技術(shù)為基礎(chǔ)研究了外加磁場強(qiáng)度和方向?qū)ψ孕孔颖忍爻谠ニ俾实挠绊?。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加的面內(nèi)磁場到達(dá)某一特定角度時(shí)，“熱點(diǎn)”附近的自旋弛豫速率可以被迅速“冷卻”，降低100倍以上，同時(shí)自旋弛豫時(shí)間從不到1毫秒增加到100毫秒以上。這一變化說明自旋-谷混合的大小被有效抑制，為研究自旋-谷混合以及如何消除自旋-谷混合對自旋量子比特帶來的不利影響提供了研究基礎(chǔ)。研究人員同時(shí)發(fā)現(xiàn)，“熱點(diǎn)”附近自旋弛豫時(shí)間的各向異性在增加電場強(qiáng)度后，仍可以保持100倍的強(qiáng)度，說明這一特性受電場的影響較弱，可以應(yīng)用到包含大量不同大小的局域電場的量子比特陣列中，為優(yōu)化硅基自旋量子比特的讀出、操控以及多比特?cái)U(kuò)展提供了新的方向。