研究实现了硅中电子自旋的相干操纵

近年来，许多物理学家和计算机科学家一直致力于量子计算技术的发展。这些技术基于量子比特，即量子信息的基本单位。

与值为0或1的经典比特不同，量子比特可以以叠加态存在，因此它们可以同时具有0和1的值。量子比特可以由不同的物理系统构成，包括电子、核自旋(即原子核的自旋态)、光子和超导电路。

限制在硅量子点(即微小的硅基结构)中的电子自旋已显示出作为量子位的特殊前景，特别是由于它们的长相干时间、高栅极保真度以及与现有半导体制造方法的兼容性。然而，相干地控制多个电子自旋态可能具有挑战性。

罗切斯特大学的研究人员最近推出了一种新策略，可以连贯地操纵硅量子点中的单个或多个电子自旋。这种方法在《自然物理学》上发表的一篇论文中介绍，可以为开发可靠且高性能的量子计算机开辟新的可能性。

“与许多科学实验一样，当我们开始注意到我们的数据中出现各种相干振荡时，我们最初正在研究一个不相关的主题。”执行这项研究的研究人员之一约翰·尼科尔(JohnNichol)告诉Phys.org。“我们花了一些时间才得出理论解释，但一旦我们做到了，一切就都明白了。自旋谷耦合已经被探索过很多次，但从未直接调解不同自旋态之间的相干跃迁。”

Nichol及其同事提出的控制硅中电子自旋的策略利用了自旋谷耦合，即电子自旋和谷态之间的相互作用。硅量子点中的电子同时具有自旋和谷量子数。它们的自旋状态可以是“向上”或“向下”，而它们的谷态可以是+或-。

“例如，在某个磁场中，向上+状态的能量几乎可以与向下-状态的能量相等，”Nichol解释道。“因为+和−状态之间的能量差异取决于电场，我们可以使用电压脉冲将up+与down-完全共振。发生这种情况时，最初准备在up+状态的电子将连贯地向下、-和来回振荡。这些是自旋谷振荡。”

到目前为止，操纵硅量子点中电子自旋的标准方法需要使用时变磁场。Nichol和他的同事表明，他们的策略可以在不需要使用振荡电磁场的情况下对电子自旋进行相干操纵。

“振荡磁场在低温下特别难以产生，而自旋谷耦合消除了这种需要，”Nichol说。“另一项成就是，硅中的谷自由度通常被视为一个‘错误’，而不是硅量子比特的一个特征，但我们的工作表明，它可能是一个非常有用的特征。”

这组研究人员最近的工作强调了利用自旋谷耦合实现基于限制在硅量子点中的电子自旋的量子比特的相干控制的前景。在他们的下一篇论文中，他们希望更好地了解量子点的生长、制造和调整的哪些特征会影响自旋谷耦合，因为这可以进一步为基于电子的量子计算技术的制造提供信息。

“我们还想探索如何在这个框架中实现多量子位门，”Nichol补充道。“一个挑战是需要为每个量子位单独调整磁场，我们正在寻找实现这一目标的现实方法。