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科学家们在重要的里程碑上加强量子构建块,以

更新时间:2020-07-21 20:07点击:

一组国际科学家极大地延长了硅中自旋轨道量子比特保留量子信息的时间,为硅量子计算机的可扩展性和功能性开辟了一条新途径。

自旋轨道量子位元已经被研究了十多年,作为在量子计算机中扩大量子位元数量的一种选择,因为它们易于操纵和在长距离耦合。然而,它们总是显示出非常有限的相干时间,对量子技术来说太短了。

今天发表在《自然材料》上的研究表明,当自旋-轨道耦合足够强时,长相干时间是可能的。事实上,科学家们证明的相干性比之前记录的自旋轨道量子位长1万倍,这使它们成为扩大硅量子计算机规模的理想候选者。

“我们证明了异常长的相干时间(约10毫秒),颠覆了传统观点,因此自旋轨道的量子位非常稳健,”量子计算和通信技术中心(CQC2T)首席研究员、UNSW大学教授斯文·罗格(Sven Rogge)说。

强耦合是关键

一个量子位的稳定程度决定了它可以保存量子信息的时间长度。

在自旋轨道中,量子位信息存储在电子的自旋和运动上——电子如何绕芯片晶格中原子的轨道运行。正是这两种自旋之间的耦合强度保持了量子比特的稳定,使其不易被器件中的电子噪声破坏。

“在大多数自旋轨道量子位中的量子信息是极其脆弱的。我们的自旋轨道量子比特很特别,因为它存储的量子信息非常强大。

“信息储存在电子自旋的方向和轨道中,而不仅仅是自旋。由于自旋-轨道耦合中存在很强的引力,带电电子的圆形轨道和自旋像齿轮一样被锁在一起。

“增加自旋轨道耦合的强度,可以让我们实现我们今天所发表的显著更长的相干时间。”

工程更长的相干时间

为了增加相干时间,研究人员首先通过在硅晶体中引入杂质(称为受体掺杂原子)来创造自旋轨道量子位元。然后,研究小组修改了芯片硅晶格结构的应变,以产生不同程度的自旋轨道耦合。

“这种晶体很特别,因为它只含有硅的同位素,没有核自旋。这消除了磁噪声,因为它是紧张的敏感性,对电噪声也降低。小林说。

“我们的芯片固定在一种材料上,这种材料在低温下会拉伸硅,就像橡皮筋一样。将晶格拉伸到适当的张力,使我们能够将自旋轨道耦合调整到最佳值。”

最终结果产生的相干时间比之前在自旋轨道量子位中发现的时间要长一万多倍。

这意味着量子信息可以保存更长的时间,允许执行更多的操作——这是扩大量子计算机规模的重要一步。

随自旋-轨道耦合而放大

要使量子计算机的性能超过经典计算机,需要大量的量子位一起工作来执行复杂的计算。

“我们的自旋轨道量子比特到电场的稳定性是独一无二的,证明了制造可伸缩量子计算机的强大新途径。”在CQC2T进行这项研究的合著者、现就职于英属哥伦比亚大学的乔·萨尔菲说。

这一发现最终使操纵单个量子位元和在更大距离上耦合量子位元的新方法成为可能,这将使芯片制造过程更加灵活。

电的相互作用也允许耦合到其他量子系统,开辟了混合量子系统的前景。

新南威尔士大学的研究小组在《科学进展》上发表的早期研究表明,硅中的自旋轨道耦合为大量量子位提供了许多优势。

“硅中的自旋对于可伸缩的量子信息器件非常有吸引力,因为它们稳定且与当前的计算机处理技术兼容,使这些器件易于制造,”罗格教授说。

“既然我们已经证明了较长的相干时间,自旋轨道量子位是硅中大规模量子处理器的有力候选者。”