新的分析表明基于碳化硅的量子自旋电子学的发展前景

David Awschalom教授和12位合著者在2020年5月11日的《 Applied Physics Letters》封面文章中介绍了他们对量子自旋电子学的分析。

芝加哥大学的国际科学家团队表示，碳化硅正在争夺成为发展量子网络扩展系统的主要材料。

普利兹克分子工程学院（PME）的刘氏家族分子工程教授David Awschalom说：“几年前，我们团队最初是作为基础科学企业，已经发展成为一个令人兴奋的机会，可以对新的量子系统进行工程设计。”是Argonne国家实验室的资深科学家，也是芝加哥量子交易所的负责人。“这个特殊的系统已经是成功的商业电子技术；工业已经为制造设备做好了充分的准备。”

Awschalom和12位合著者在2020年5月11日的《 Applied Physics Letters》封面文章中介绍了他们对这一技术上有前途的领域（称为量子自旋电子学）的分析。量子自旋电子学利用电子和原子核的“自旋”或磁化来存储和处理信息。

来自芝加哥大学，德国斯图加特大学和瑞典林雪平大学的Awschalom及其同事总结了各种量子自旋电子系统为开发新技术提供的相对优势。这篇论文恰逢工业界对使用各种类型的量子态来构建用于新型传感，通信和计算的原型技术的兴趣日益浓厚。

Awschalom及其合作者将分析重点放在了碳化硅制成的半导体如何充当高度灵活的量子技术平台上。这种材料已经用于制造电力电子，混合动力汽车和固态照明。出乎意料的是，Awschalom的团队描述了这种日常材料如何捕获单电子自旋以创建下一代可扩展的量子技术。

UChicago博士后学者Chris Anderson说：“考虑与铸造厂和商业伙伴合作，使用制造智能手机处理器的相同技术，将这些技术从实验室转移到现实世界中，这真令人兴奋。”文章。

“几年前，我们小组最初是一家基础科学企业，如今已发展成为一个令人兴奋的机会，可以设计出新的量子系统。”-David Awschalom教授

本文强调的量子信息科学的一个特别重要的进步是能够在维持量子相干性的商用碳化硅晶片中创建并电控制单个量子态的能力，量子态可以存活许多毫秒。没有量子相干性，量子计算机和其他技术将无法运行。可能看起来很短，所以许多毫秒都属于任何现有半导体所能达到的最佳量子相干时间。Awschalom的小组正在研究一种技术，该技术将大大增加碳化硅材料的量子相干时间。这些增加的相干时间是碳化硅主体独特性质的直接结果，进一步表明了碳化硅作为量子系统理想材料的前景。

Awschalom及其合著者还描述说，他们可以从现代电子行业的剧本中摘录一页，以大幅度地改善其量子态。安德森说：“电子设备都是关于以可控的方式对电子进行混洗。”“事实证明，我们可以使用相同的技巧来移动电子，以消除敏感的量子系统可能看到的所有不必要的电噪声。”

集成量子位和光子进行量子通信

碳化硅在量子通信中的另一个重要进展是将量子位与光子（光的非连续粒子）集成在一起，将量子信息从物质传递到光，然后再返回物质。就像互联网如何通过将许多计算机链接在一起来获得其有用性和力量一样，物质和光之间的接口也需要长距离发送量子信息，从而使量子设备之间可以相互通信，从而形成功能更强大，更复杂的系统。

“考虑与代工厂和商业伙伴合作，使用与制造智能手机处理器相同的技术，将这些技术从实验室转移到现实世界中，这真是令人兴奋。”-博士后学者克里斯·安德森（Chris Anderson）

Awschalom解释说：“您不仅要创建在半导体中健壮且可控的量子位，而且还希望能够将其转换为可控光子。”

以此方式，量子信息可以从单个电子自旋转变为单个光子，以进行长距离传输。自旋光子转换过程还可以用作两台相距几米到几百英里的量子机器的量子“接线”。

这对于构建远程量子网络很重要。纠缠的量子态可用于在网络的两个端点之间发送信息。令人兴奋的部分是，可以完美地保护此信息。不是通过人工算法，而是通过物理基本定律。

“量子网络背后的兴奋之处不仅在于散布在许多量子设备上的大量不可思议的量子计算能力，还在于无需广泛的加密措施，传输的信息就可以证明是安全的，” Awschalom研究组的研究生Kevin Miao说。在UChicago上，该文章的另一位合著者。

持有量子信息的信号如果通过光纤传输，将在100英里范围内开始衰减，这极大地限制了未来的量子设备网络。但是，可以通过多次交换纠缠状态以构建更大的网络来扩展其范围。“这正是我们希望碳化硅能够产生重大影响的地方，” Awschalom说。

Awschalom的研究小组还表明，碳化硅具有内置的量子存储器，该存储器由晶体原子核的量子态组成。“如果您拥有量子存储器，则可以存储信息，然后将其移回到电子自旋中进行处理，” Awschalom说。“因为这些状态是如此脆弱，所以拥有这些长久的记忆很重要”

Awschalom怀疑新的应用程序可能很快就会到来。“令人惊讶的是，事情如何迅速地从过去几年中从我们实验室中的基础科学测量开始发展到现在的一些非常有趣的演示和未来技术。它显示了在该领域进行预测有多么困难。”

参考：Nguyen T. Son，Christopher P. Anderson，Alexandre Bourassa，Kevin C. Miao，Charles Babin，Matthias Widmann，Matthias Niethammer，Jawad Ul Hassan，Naoya Morioka，Ivan G. Ivanov，Florian Kaiser撰写的“为量子自旋电子学开发碳化硅” ，Joerg Wrachtrup和David D.Awschalom，2020年5月11日，《应用物理快报》。
10.1063/5.0004454