量子計算機研製過程中，量子比特的製備至關重要。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，成為量子計算研究中最具吸引力的核心方向之一。近日，中國科學技術大學、中國科學院微電子研究所、本源量子計算公司等合作，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，實現硅基自旋量子比特壽命的高效調控，有利於進一步擴展硅基自旋量子比特。相關研究成果已發表於《物理評論快報》，併入選編輯推薦。
近年來，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。目前，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%。
然而，硅基量子點中天然存在谷能級，在某些情況下自旋和谷能級會發生相互混合（以下簡稱自旋-谷混合），在器件噪聲的影響下會大幅降低自旋量子比特的弛豫時間和退相干時間，從而限制自旋量子比特的操控保真度。
已有研究發現，在特定磁場大小下，自旋-谷混合效應會迅速降低自旋量子比特弛豫時間到1毫秒以下甚至到1微秒，形成自旋比特弛豫速率的“熱點”。在比特數目增加後，這一現象會使比特陣列中出現“壞點”的幾率大大增加，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，該研究中，研究人員通過製備高質量的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。
《物理評論快報》審稿人評價，這項工作對於闡明物理機制和解決尋找操控硅量子點中自旋自由度的最優工作點這種實際問題做出了重要貢獻；該工作是系統研究自旋弛豫各向異性的代表性工作之一，並提供了新的研究自旋谷能級混合的方法；這項工作使得對自旋、谷和軌道等自由度的相互作用的物理理解被提高到了一個新的高度。（來源：中國科學報 卜葉）