北京时间07月07日消息，中国触摸屏网讯，研究小组获得了基于硅量子点的自旋量子比特寿命的高级控制

据报道，通过相对于硅晶片的晶轴调整外部磁场的方向，硅量子点中自旋寿命(弛豫时间)提高了两个数量级。这一突破是由中国科学技术大学量子信息中科院重点实验室的郭光灿院士带领的团队完成的，郭国平教授，李海鸥教授与他们的同事以及Origin Quantum Computing Company Limited。这项工作发表在2020年6月23日的《物理评论快报》上。

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基于硅量子点的自旋量子位因其长的相干时间以及与现代半导体技术的兼容性而成为大规模量子计算发展中的核心问题。最近放松时间Si MOS(金属氧化物半导体)和Si / SiGe异质结构中形成的自旋量子位的相移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%，而两个量子位门的保真度超过98%。随着学院的成功，行业中的实验室和公司开始涉足这一领域，例如英特尔，CEA-Leti和IMEC。但是，硅量子点中谷值状态(与特定电子能带中的倾角相关的状态)的存在会通过自旋谷混合严重降低自旋弛豫时间和移相时间，并限制了量子位的控制保真度。据报道，在一定的磁场下，自旋谷混合可以将自旋弛豫时间减少到小于一毫秒(在某些条件下甚至是一微秒)，这称为自旋弛豫“热点”。当量子位数量增加时，此现象将导致大量“坏”量子位，并阻止进一步扩展到更多的量子位。

抑制自旋谷混合的不利影响的传统方法是增加波谷分裂的幅度，并将量子位推得足够远，以使自旋和波谷状态不再混合。但是，由于谷值受材料中多种因素的影响(通常不均匀)，因此谷值分裂的幅度难以控制(尤其是在Si / SiGe异质结构中)。另一种方法是直接控制自旋谷混合的幅度。据报道，在GaAs量子点中，自旋轨道耦合的强度可通过面内磁场取向来调节，因此自旋弛豫时间延长。尽管如此，到目前为止，仍然没有关于外部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，李海鸥教授，郭国平教授及其同事制造了高质量的Si MOS量子点并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。他们发现当面内的外部磁场如果以一定角度定向，则可以将自旋弛豫“热点”“冷却”两个数量级，从而将弛豫时间从不到一毫秒增加到一百多毫秒。这种巨大的变化表明自旋谷混合得到了有效抑制，这为今后如何摆脱自旋谷混合的自旋量子比特奠定了基础。研究人员还发现，当电场变化时，各向异性仍可能超过两个数量级。这表明各向异性大小在一定范围内与电场无关，可以应用于包含不同局部电场的量子位阵列，这应该为优化读数提供新的方向，

这项工作受到匿名裁判的高度评价，他说：“这项工作为揭示潜在现象和解决发现最佳工作条件以利用硅量子点的自旋自由度做出了实际贡献，”和“本手稿中的研究代表了为实现量子点中的自旋弛豫各向异性而进行的为数不多的广泛研究之一，并提供了潜在的新方法来探索谷间和谷内自旋混合机制的各向异性，”和“这项工作将自旋，谷底和轨道自由度的相互作用带入了一个新的高度。”
 

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