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该团队基于硅量子点获得了自旋量子位寿命的高

更新时间:2020-07-23 23:14点击:

通过调整外磁场相对于晶圆轴的方向,硅量子点的自旋寿命(弛豫时间)提高了两个数量级。这项突破是由中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室的郭广灿院士带领,由郭国平教授、李海欧教授及其同事和Origin Quantum Computing Company Limited共同完成的。这项工作发表在2020年6月23日的《物理评论快报》上。

基于硅量子点的自旋量子位由于具有较长的相干时间和与现代半导体技术的兼容性,一直是大规模量子计算发展的核心问题。最近,Si MOS(金属-氧化物-半导体)和Si/SiGe异质结构开发的自旋量子位的弛豫时间和去相时间分别超过了数百毫秒和数百微秒,导致单量子位控制保真度超过99.9%,二量子位栅保真度超过98%。随着大学的成功,该行业的实验室和公司开始参与这一领域,如英特尔、CEA-Leti和IMEC。然而,硅量子点中谷态的存在(与特定电子带的dip相关的态)可以通过自旋谷混合大大缩短自旋弛豫时间和去相时间,并限制了量子位元的控制保真度。据报道,在一定的磁场条件下,自旋谷混合可以使自旋弛豫时间缩短到小于1毫秒(在一定条件下甚至是1微秒),称为自旋弛豫“热点”。当量子位数增加时,这种现象会产生大量的“坏”量子位,阻碍进一步扩展到更多的量子位。

传统的抑制自旋谷混合不利影响的方法是增大谷分裂的幅度,使量子比特远离自旋谷态,使自旋谷态不再混合。然而,由于谷态受到来自材料的多种因素的影响,通常是不均匀的,谷分裂的幅度很难控制(特别是在硅/硅锗异质结构中)。另一种方法是直接控制自旋谷混合的大小。研究表明,在砷化镓量子点中,自旋轨道耦合强度可以通过面内磁场方向来调节,从而延长了自旋弛豫时间。然而,到目前为止,还没有关于外加磁场方向如何影响硅中自旋谷混合强度的报道。

为了解决这个问题,李海欧教授、郭国平教授和他们的同事制作了高质量的Si MOS量子点,实现了自旋量子位的单次读出。基于这种可靠的技术,他们研究了外部磁场的强度和方向对自旋弛豫速率的影响。他们发现,当平面内的外部磁场定向到一定角度时,自旋弛豫“热点”可以“冷却”两个数量级,使弛豫时间从不足1毫秒增加到超过100毫秒。这一巨大的变化表明自旋谷混合得到了有效的抑制,为今后如何摆脱自旋谷混合的自旋量子位元的研究奠定了基础。此外,研究人员发现,当电场变化时,这种各向异性仍可能超过两个数量级。这说明各向异性量子位元在一定范围内与电场无关,可应用于包含不同局部电场的量子位元阵列中,为优化硅基自旋量子位元的读出、控制和多量子位扩展提供了新的方向。

这项工作受到匿名审稿人的高度评价,他们说,解开“这项工作提出了一个重要贡献的基本现象和解决实际问题找到最优操作条件利用硅量子点的自旋自由度,”和“这个手稿的研究代表了为数不多的广泛的研究实现了量子点的自旋弛豫各向异性也提供了潜在的新方法来探测inter-valley的各向异性性质和intra-valley旋转混合机制,“和”自旋、谷和轨道自由度相互作用的物理理解将通过这项工作提升到一个新的水平。”