電子自旋的聲學(xué)操縱能改善量子控制

近日，德俄科學(xué)家合作研發(fā)一種自旋量子位的聲學(xué)操控方法，展示了表面聲波的應(yīng)變場與碳化硅中硅空位的激發(fā)態(tài)自旋之間的相互作用。新方法有望改善電子自旋的量子控制，并為微型量子設(shè)備高效處理量子信息提供新的可能性。

色心是晶體中的晶格缺陷，可以捕獲一個或多個額外電子。被捕獲的電子通常會吸收可見光譜中的光，因此，透明材料（例如金剛石）會通過這些中心著色。色心通常與某些磁性有關(guān)，這使它們在量子技術(shù)應(yīng)用中很有前途，例如量子存儲器或量子傳感器?？茖W(xué)上的挑戰(zhàn)在于開發(fā)有效的方法來控制電子的磁量子特性，或者說控制它們的自旋狀態(tài)。近年來，碳化硅色心自旋操控成為新興的研究方向。

最近，德國保羅德魯?shù)鹿虘B(tài)電子研究所、亥姆赫茲德累斯頓羅森多夫研究中心和俄羅斯科學(xué)院艾菲物理技術(shù)研究所的聯(lián)合研究團隊在《科學(xué)進展》雜志上發(fā)表論文，展示了表面聲波的應(yīng)變場與碳化硅中硅空位的激發(fā)態(tài)自旋之間的巨大相互作用。這種基態(tài)和激發(fā)態(tài)自旋的相干聲學(xué)操縱為高效的量子信息協(xié)議和相干傳感提供了新的機會。

艾菲物理技術(shù)研究所的亞歷山大·波沙金斯基博士介紹說：“人們可以把這種控制看作是用普通的電子調(diào)音器給吉他調(diào)音。只是我們的實驗復(fù)雜一點：磁場將電子自旋的共振頻率調(diào)整為聲波的頻率，而激光則激發(fā)色心在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間躍遷?！?/p>

保羅德魯?shù)卵芯克陌栘愅小ぐ柲系滤?明格斯博士解釋說：“陀螺運動時，旋進是旋轉(zhuǎn)軸方向的變化。我們可以將電子自旋視為一個微型陀螺儀，這樣進動軸受到聲波的影響，并且每次色心在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間躍遷時都會改變其方向。由于色心處于激發(fā)態(tài)的時間長度是隨機的，因此在基態(tài)和激發(fā)態(tài)的進動軸取向的巨大差異意味著電子自旋的取向以及存儲在其中的量子信息以不受控制的方式變化?！边@種變化使得電子自旋中存儲的量子信息在多次躍遷后會丟失。

為了防止這種情況出現(xiàn)，聯(lián)合研究團隊開發(fā)出了一種新方法：通過適當(dāng)調(diào)整色心的共振頻率，使得自旋的進動軸在基態(tài)和激發(fā)態(tài)共線。即自旋沿明確定義的方向保持其進動方向，即使它們在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間來回跳躍。在這種特殊條件下，存儲在電子自旋中的量子信息與激光引起的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的跳躍解耦。這種聲學(xué)操縱技術(shù)為在尺寸類似于微芯片的量子設(shè)備中處理量子信息提供了新的可能性。它還可能對生產(chǎn)成本產(chǎn)生巨大影響，進而推動面向大眾的量子技術(shù)的可用性。