中國科技大學(xué)研究團隊與其合作者在國際上首次發(fā)現了硅基自旋量子比特弛豫的強各向異性：通過(guò)改變外加磁場(chǎng)與硅片晶向的相對方向，可以將自旋量子比特壽命提高兩個(gè)數量級以上。

硅基自旋量子比特以其超長(cháng)的量子退相干時(shí)間，以及與現代半導體工藝技術(shù)兼容的高可擴展性，成為量子計算研究的核心方向之一。近幾年，基于硅平面晶體管(Si MOS)和硅鍺異質(zhì)結構造的自旋量子比特的弛豫時(shí)間已經(jīng)超過(guò)百毫秒，量子退相干時(shí)間也已超過(guò)百微秒，其單比特控制保真度可以達到99.9%，兩比特控制保真度可以達到98%，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等國際巨頭企業(yè)均已利用自身在半導體工業(yè)的優(yōu)勢積累，開(kāi)始參與硅基半導體量子計算研究。然而，硅基量子點(diǎn)中的谷能級和自旋在有些情況先會(huì )發(fā)生相互混合(自旋-谷混合)，限制自旋量子比特的操控保真度，阻礙了硅基自旋量子比特的進(jìn)一步擴展。

為了抑制自旋-谷混合的不利影響，理論上一種方法是增加硅量子點(diǎn)中的谷能級劈裂的大小，使得自旋量子比特操控點(diǎn)遠離自旋-谷混合的位置，另一種方法是調節自旋-谷混合的強度，來(lái)抑制其不利影響。中科大研究團隊及其合作者們通過(guò)制備高質(zhì)量的Si MOS量子點(diǎn)，實(shí)現了自旋量子比特的單發(fā)讀出，并以此測量技術(shù)為基礎研究了外加磁場(chǎng)強度和方向對自旋量子比特弛豫速率的影響。研究人員發(fā)現，當施加的面內磁場(chǎng)到達某一特定角度時(shí)，“熱點(diǎn)”附近的自旋弛豫速率可以被迅速“冷卻”，降低100倍以上，同時(shí)自旋弛豫時(shí)間從不到1毫秒增加到100毫秒以上。這一變化說(shuō)明自旋-谷混合的大小被有效抑制，為研究自旋-谷混合以及如何消除自旋-谷混合對自旋量子比特帶來(lái)的不利影響提供了研究基礎。研究人員同時(shí)發(fā)現，“熱點(diǎn)”附近自旋弛豫時(shí)間的各向異性在增加電場(chǎng)強度后，仍可以保持100倍的強度，說(shuō)明這一特性受電場(chǎng)的影響較弱，可以應用到包含大量不同大小的局域電場(chǎng)的量子比特陣列中，為優(yōu)化硅基自旋量子比特的讀出、操控以及多比特擴展提供了新的方向。

來(lái)源:科技部

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