弱磁場(chǎng)下空穴自旋量子位構(gòu)建成功

近日，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所（IST）領(lǐng)導(dǎo)的歐洲科學(xué)團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了空穴自旋量子位。在弱磁場(chǎng)環(huán)境下，該量子位可高速操作并保持較長(zhǎng)時(shí)間，將來有望造出結(jié)合半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的新型量子計(jì)算機(jī)。

自旋量子位被認(rèn)為是構(gòu)建量子處理器的最有希望的候選者之一，但仍需克服巨大的挑戰(zhàn)。其中的關(guān)鍵是構(gòu)建穩(wěn)定的量子位，它是量子計(jì)算機(jī)的基本單元。

最近，該研究所的卡薩羅斯小組在意大利、德國(guó)和西班牙的團(tuán)隊(duì)成員幫助下，通過一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)展示了他們?nèi)绾慰刂乒腆w中一個(gè)空穴自旋量子位，進(jìn)而找到一種新的、有前途的量子位系統(tǒng)。相關(guān)成果發(fā)表在近日的《自然·材料》雜志上。

研究人員是在所謂空穴自旋的幫助下構(gòu)建的量子位。電子空穴指的是在原子或原子晶格中，電子在可能存在的位置上出現(xiàn)空缺。由于周圍電子可以填補(bǔ)這個(gè)空穴，同時(shí)在原位置產(chǎn)生一個(gè)新的空穴，所以看起來就像是空穴在移動(dòng)一樣。

論文第一作者、該研究所的達(dá)尼爾·吉羅維茨解釋說，我們意大利的同事將不同的硅和鍺層疊在一起，厚度僅為幾納米。這使我們能夠鎖定中間含鍺層的空穴。在表面層，我們放置了稱為門的細(xì)電線，通過施加電壓來控制空穴的運(yùn)動(dòng)。帶正電的空穴對(duì)電壓起反應(yīng)，并且可以在鍺層內(nèi)極其精確地移動(dòng)。

通過這種納米尺度的控制，研究人員使兩個(gè)空穴彼此靠近，以便從它們相互作用的自旋中產(chǎn)生一個(gè)量子位。為此他們創(chuàng)新了方法，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)置于磁場(chǎng)中。吉羅維茨和同事不僅可以移動(dòng)空穴，還可以改變它們的屬性。在不到10毫特斯拉的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，從兩個(gè)相互作用的空穴自旋中創(chuàng)建了量子位。與其他類似的量子位相比，這是一個(gè)很弱的磁場(chǎng)，后者一般需要至少強(qiáng)十倍的磁場(chǎng)。

這些空穴自旋量子位很有前景，高達(dá)每秒1億次的處理速度和長(zhǎng)達(dá)150微秒的壽命，使它們特別適合量子計(jì)算。通常研究人員必須在這些特性之間做出妥協(xié)，但現(xiàn)在這種新的設(shè)計(jì)將這兩種優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。吉羅維茨說：“通過使用鍺層，可以降低所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，允許我們將量子位與通常受到強(qiáng)磁場(chǎng)抑制的超導(dǎo)體結(jié)合?！边@使研究人員能夠構(gòu)建結(jié)合半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的新型量子計(jì)算機(jī)。