弱磁場下空穴自旋量子位構建成功

近日，奧地利科學技術研究所（IST）領導的歐洲科學團隊成功構建了空穴自旋量子位。在弱磁場環境下，該量子位可高速操作並保持較長時間，將來有望造出結合半導體和超導體的新型量子計算機。

自旋量子位被認為是構建量子處理器的最有希望的候選者之一，但仍需克服巨大的挑戰。其中的關鍵是構建穩定的量子位，它是量子計算機的基本單元。

最近，該研究所的卡薩羅斯小組在意大利、德國和西班牙的團隊成員幫助下，通過一項實驗展示了他們如何控制固體中一個空穴自旋量子位，進而找到一種新的、有前途的量子位系統。相關成果發表在近日的《自然·材料》雜誌上。

研究人員是在所謂空穴自旋的幫助下構建的量子位。電子空穴指的是在原子或原子晶格中，電子在可能存在的位置上出現空缺。由於周圍電子可以填補這個空穴，同時在原位置產生一個新的空穴，所以看起來就像是空穴在移動一樣。

論文第一作者、該研究所的達尼爾·吉羅維茨解釋説，我們意大利的同事將不同的硅和鍺層疊在一起，厚度僅為幾納米。這使我們能夠鎖定中間含鍺層的空穴。在表面層，我們放置了稱為門的細電線，通過施加電壓來控制空穴的運動。帶正電的空穴對電壓起反應，並且可以在鍺層內極其精確地移動。

通過這種納米尺度的控制，研究人員使兩個空穴彼此靠近，以便從它們相互作用的自旋中產生一個量子位。為此他們創新了方法，將整個實驗置於磁場中。吉羅維茨和同事不僅可以移動空穴，還可以改變它們的屬性。在不到10毫特斯拉的磁場強度下，從兩個相互作用的空穴自旋中創建了量子位。與其他類似的量子位相比，這是一個很弱的磁場，後者一般需要至少強十倍的磁場。

這些空穴自旋量子位很有前景，高達每秒1億次的處理速度和長達150微秒的壽命，使它們特別適合量子計算。通常研究人員必須在這些特性之間做出妥協，但現在這種新的設計將這兩種優勢結合在一起。吉羅維茨説：“通過使用鍺層，可以降低所需的磁場強度，允許我們將量子位與通常受到強磁場抑制的超導體結合。”這使研究人員能夠構建結合半導體和超導體的新型量子計算機。