我國科學家將自旋量子比特壽命提高兩個數量級以上

中國科技大學研究團隊與其合作者在國際上首次發現了硅基自旋量子比特弛豫的強各向異性：通過改變外加磁場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數量級以上。

硅基自旋量子比特以其超長的量子退相干時間，以及與現代半導體工藝技術兼容的高可擴展性，成為量子計算研究的核心方向之一。近幾年，基於硅平面晶體管（Si MOS）和硅鍺異質結構造的自旋量子比特的弛豫時間已經超過百毫秒，量子退相干時間也已超過百微秒，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等國際巨頭企業均已利用自身在半導體工業的優勢積累，開始參與硅基半導體量子計算研究。然而，硅基量子點中的谷能級和自旋在有些情況先會發生相互混合(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中的谷能級劈裂的大小，使得自旋量子比特操控點遠離自旋-谷混合的位置，另一種方法是調節自旋-谷混合的強度，來抑制其不利影響。中科大研究團隊及其合作者們通過製備高質量的Si MOS量子點，實現了自旋量子比特的單發讀出，並以此測量技術為基礎研究了外加磁場強度和方向對自旋量子比特弛豫速率的影響。研究人員發現，當施加的面內磁場到達某一特定角度時，“熱點”附近的自旋弛豫速率可以被迅速“冷卻”，降低100倍以上，同時自旋弛豫時間從不到1毫秒增加到100毫秒以上。這一變化説明自旋-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的不利影響提供了研究基礎。研究人員同時發現，“熱點”附近自旋弛豫時間的各向異性在增加電場強度後，仍可以保持100倍的強度，説明這一特性受電場的影響較弱，可以應用到包含大量不同大小的局域電場的量子比特陣列中，為優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。