科学家加强了里程碑式量子计算机规模增长的关键里程碑中的自旋轨道量子位

由于在自旋轨道耦合中非常强的吸引力，带电电子的圆形轨道和自旋像齿轮一样被锁定在一起。

一组国际科学家已经大大延长了硅中自旋轨道量子位可以保留量子信息的时间，从而开辟了一条新途径，使硅量子计算机更具可扩展性和功能性。

自旋轨道量子位已被研究了十多年，作为扩展量子计算机中量子位数量的一种选择，因为它们很容易操纵和长距离耦合。但是，它们始终显示出非常有限的相干时间，对于量子技术而言太短了。

2020年7月20日发表在《自然材料》上的研究表明，自旋轨道耦合足够强时，可能会有较长的相干时间。实际上，科学家证明了相干时间比以前记录的自旋轨道量子位长10,000倍，这使其成为扩展硅量子计算机的理想候选者。

新南威尔士大学量子计算与通信技术中心首席研究员斯文·罗格教授说：“我们证明了超长的相干时间（约10毫秒），从而打破了传统观念，因此，自旋轨道量子位可以非常强大。” （CQC2T），谁领导了研究团队。

牢固的耦合是关键

量子位的稳定性决定了它可以保留量子信息的时间长度。

在自旋轨道中，量子位的信息存储在电子的自旋及其运动中，即电子如何“环绕”芯片晶格中的原子。正是这两个自旋之间的耦合强度使量子位保持稳定，并且不易被设备中的电噪声破坏。

“大多数自旋轨道量子位中的量子信息非常脆弱。我们的自旋轨道量子位是特殊的，因为其中存储的量子信息非常健壮。”主要作者，在UNSW进行研究并现在在东北大学工作的Takashi Kobayashi博士说。

“信息存储在电子的自旋和轨道方向上，而不仅仅是自旋。由于在自旋轨道耦合中非常强的吸引力，带电电子的圆形轨道和自旋像齿轮一样被锁定在一起。

“增加自旋轨道耦合的强度，使我们可以实现今天已经发布的更长的相干时间。”

设计更长的相干时间

为了增加相干时间，研究人员首先通过在硅晶体中引入称为受体掺杂原子的杂质来创建自旋轨道量子位。然后，研究小组修改了芯片硅晶格结构中的应变，以产生不同水平的自旋-轨道耦合。

“这种晶体之所以特别，是因为它只包含硅的同位素而没有核自旋。这样可以消除磁噪声，并且由于应变过大，因此对电噪声的敏感性也降低了。”小林说。

“我们的芯片固定在一种材料上，该材料在低温下会拉伸硅，就像橡皮筋一样。将晶格拉伸到适当的张力使我们能够将自旋轨道耦合调整到最佳值。”

最终结果产生的相干时间比以前在自旋轨道量子位中发现的相干时间长10,000倍。

这意味着量子信息可以保留更长的时间，从而可以执行更多的操作-这是扩展量子计算机的重要垫脚石。

自旋轨道耦合扩大规模

为了使量子计算机胜过传统计算机，需要大量的量子位一起工作以执行复杂的计算。

“我们的自旋轨道量子位对电场的稳定性是独一无二的，这为制造可扩展的量子计算机提供了强有力的新途径。”共同作者乔·萨尔菲（Joe Salfi）说，他曾在CQC2T进行研究，现在就职于不列颠哥伦比亚大学。

这一发现最终为操纵个体量子位和在更大的距离上耦合量子位提供了新的方法，这将使芯片制造过程更加灵活。

电相互作用还允许耦合到其他量子系统，从而开辟了混合量子系统的前景。

新南威尔士大学研究小组在《科学进展》上发表的较早研究表明，硅中的自旋轨道耦合为将大量量子位扩展成比例提供了许多优势。

Rogge教授说：“硅中的细晶对于可扩展的量子信息设备非常有吸引力，因为它们稳定且与当前的计算机处理技术兼容，从而使这些设备易于制造。”

“既然我们已经证明了长的相干时间，那么自旋轨道量子位将成为硅中大规模量子处理器的强大候选者。”

参考：

Takaashi Kobayashi，Joseph Salfi，Cassandra Chua，Joost van der Heijden，Matthew G. House，Dimitrie Culcer，Wayne D. Hutchison，Brett C. Johnson，Jeff C.“在硅中设计自旋轨道量子位的长自旋相干时间” McCallum，Helge Riemann，Nikolay V.Abrosimov，Peter Becker，Hans-Joachim Pohl，Michelle Y.Simmons和Sven Rogge，2020年7月20日，自然材料.DOI：
10.1038 / s41563-020-0743-3

Joost van der Heijden，Takashi Kobayashi，Matthew G. House，Joe Salfi，Sylvain Barraud，RomainLaviéville，Michelle Y. Simmons和Sven Rogge撰写的“硅晶体管中两个耦合的受主原子的自旋轨道状态的读出和控制” ，2020年12月7日，《科学进展》。DOI：
10.1126 / sciadv.aat9199