我国科学家将自旋量子比特寿命提高两个数量级以上

    中国科技大学研究团队与其合作者在国际上首次发现了硅基自旋量子比特弛豫的强各向异性：通过改变外加磁场与硅片晶向的相对方向，可以将自旋量子比特寿命提高两个数量级以上。

    硅基自旋量子比特以其超长的量子退相干时间，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。近几年，基于硅平面晶体管（Si MOS）和硅锗异质结构造的自旋量子比特的弛豫时间已经超过百毫秒，量子退相干时间也已超过百微秒，其单比特控制保真度可以达到99.9%，两比特控制保真度可以达到98%，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等国际巨头企业均已利用自身在半导体工业的优势积累，开始参与硅基半导体量子计算研究。然而，硅基量子点中的谷能级和自旋在有些情况先会发生相互混合(自旋-谷混合)，限制自旋量子比特的操控保真度，阻碍了硅基自旋量子比特的进一步扩展。

    为了抑制自旋-谷混合的不利影响，理论上一种方法是增加硅量子点中的谷能级劈裂的大小，使得自旋量子比特操控点远离自旋-谷混合的位置，另一种方法是调节自旋-谷混合的强度，来抑制其不利影响。中科大研究团队及其合作者们通过制备高质量的Si MOS量子点，实现了自旋量子比特的单发读出，并以此测量技术为基础研究了外加磁场强度和方向对自旋量子比特弛豫速率的影响。研究人员发现，当施加的面内磁场到达某一特定角度时，“热点”附近的自旋弛豫速率可以被迅速“冷却”，降低100倍以上，同时自旋弛豫时间从不到1毫秒增加到100毫秒以上。这一变化说明自旋-谷混合的大小被有效抑制，为研究自旋-谷混合以及如何消除自旋-谷混合对自旋量子比特带来的不利影响提供了研究基础。研究人员同时发现，“热点”附近自旋弛豫时间的各向异性在增加电场强度后，仍可以保持100倍的强度，说明这一特性受电场的影响较弱，可以应用到包含大量不同大小的局域电场的量子比特阵列中，为优化硅基自旋量子比特的读出、操控以及多比特扩展提供了新的方向。