我首次实现硅基自旋量子比特寿命的高效调控

2020-06-28 10:40:19　来源: 科技日报 作者: 吴长锋

记者从中国科大获悉郭光灿院士团队与合作者合作，在国际上首次通过改变外加磁场与硅片晶向的相对方向，将自旋量子比特寿命提高两个数量级以上。该研究成果日前在国际物理学知名期刊《物理学评论快报》上。文章入选编辑推荐，并被美国物理学会旗下在线网站进行了精选报道。

硅基自旋量子比特以其超长的量子退相干时间，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。包括Intel、CEA-Leti、IMEC等国际巨头都开始参与硅基半导体量子计算研究。然而，硅基量子点中天然存在谷能级，在某些情况下自旋和谷能级会发生相互混合(自旋-谷混合)，在器件噪声的影响下会大幅降低自旋量子比特的弛豫时间和退相干时间，从而限制自旋量子比特的操控保真度。在特定磁场大小下，自旋-谷混合效应会迅速降低自旋量子比特弛豫时间到1毫秒以下甚至到1微秒，形成自旋比特弛豫速率的“热点”。在比特数目增加后，这一现象会使比特阵列中出现“坏点”的几率大大增加，阻碍了硅基自旋量子比特的进一步扩展。

科研人员通过制备高质量的SiMOS量子点，实现了自旋量子比特的单发读出，并以此测量技术为基础，研究了外加磁场强度和方向对自旋量子比特弛豫速率的影响。研究发现，当施加的面内磁场到达某一特定角度时，“热点”附近的自旋弛豫速率可以被迅速“冷却”，降低100倍以上，同时自旋弛豫时间从不到1毫秒增加到100毫秒以上。同时，“热点”附近自旋弛豫时间的各向异性在增加电场强度后，仍可以保持100倍的强度，这一特性为优化硅基自旋量子比特的读出、操控以及多比特扩展提供了新的方向。

审稿人的高度评价：“这个工作对于阐明物理机制和解决寻找操控硅量子点中自旋自由度的最优工作点这种实际问题做出了重要贡献……使得对自旋、谷和轨道等自由度的相互作用的物理理解被提高到了一个新的高度”。

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