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磁性“甜点”实现空穴自旋量子比特的最优运行
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磁性“甜点”实现空穴自旋量子比特的最优运行 **磁性“甜点”实现空穴自旋量子比特的最优运行** 量子计算机是一类利用量子力学效应处理信息的系统，有望可靠地解决经典计算机无法完成的多种计算问题。这类系统以量子比特（qubit）为信息载体，量子比特可以同时处于两种状态（0 和 1）。 空穴自旋——即空穴的内禀角动量（空穴是半导体中缺失的电子，可被限制在称为量子点的纳米尺度区域中）——已被广泛用作量子比特。由于受到一种称为自旋—轨道耦合的量子效应强烈影响（该效应将粒子的运动与其磁性联系起来），空穴自旋可以通过电场进行操控。 然而，正是由于自旋—轨道耦合，空穴自旋量子比特也对噪声高度敏感，包括随机的电扰动，这些扰动会引发退相干，进而导致宝贵量子信息的丢失。 来自 Pheliqs（CEA 与格勒诺布尔大学的联合实验室）的研究人员提出了一种策略，可实现空穴自旋量子比特的最优运行。 他们在《Nature Physics》发表的论文中提出，该方法依赖于特定磁场方向的设置，这些方向被称为“甜点”（sweet spots）。在这些方向下，量子比特在不影响其可控性的前提下，对电噪声表现出更强的鲁棒性。 论文的通讯作者和第一作者分别为 Vivien Schmitt 博士和 Marion Bassi 博士。Schmitt 博士表示：“在多种量子比特平台中，运行保真度本质上仍受限于与周围环境耦合产生的噪声，这给实现大规模量子计算机带来了重大挑战。” Bassi 博士补充道：“理解这些主要噪声来源及其对量子比特性质的影响，是推动本研究的核心问题。我们可以将其概括为两点：我们能否理解量子比特对特定类型噪声的响应？以及能否利用量子比特性质的各向异性为我们所用？” **纵向自旋—电易感性的器件与测量。** 图片来源：Nature Physics（2025），DOI：10.1038/s41567-025-03106-1 --- ### 支持空穴自旋量子比特的可靠调控 Schmitt 博士、Bassi 博士及其同事研究了在不同磁场取向下，电噪声如何影响空穴自旋量子比特的运行速度与相干性。为此，他们构建了一个由单个空穴组成的量子比特，该空穴被束缚在一个硅量子点中。随后，他们施加不同方向的磁场，并观察磁场方向变化所带来的影响。 Schmitt 博士解释道：“我们研究的系统由一根硅纳米线构成，其上覆盖着与小型 MOSFET 晶体管非常相似的栅极结构。通过施加电压，我们可以在深低温条件下将单个电荷困在纳米线中。” “在外加磁场下，这个电荷的自旋即构成我们的量子比特。对于空穴自旋量子比特而言，一个核心问题是：在存在电噪声的情况下，我们能够在多长时间内、以多快的速度对量子比特执行量子操作（量子门）。” 研究人员发现了若干特定的磁场取向，即所谓的“甜点”。在这些取向下，量子比特对电涨落不敏感，从而显著提升了其相干时间。 Bassi 博士表示：“我们的结果表明，在保持高驱动效率的同时可以实现这种相干性增强，而这两个关键指标通常是相互制约的。受此启发，我们进一步研究了改变空穴束缚方式（即改变邻近栅极上施加的电压）在多大程度上会影响这些具备增强性能的稳健工作点。” 随后，研究团队采用相同的实验方法，将第二个量子比特调谐到与第一个量子比特相同的“甜点”。实验取得了成功，这表明该方法有望推广到包含更多量子比特的更大规模系统中。 --- ### 方法的未来扩展 在初步实验中，该方法已被证明能够可靠地优化两个量子比特的运行，在不削弱其对电控信号响应的情况下，显著降低了它们对电噪声的敏感性。 尽管研究人员目前将该策略应用于基于硅的量子比特，但它同样适用于其他半导体材料（如锗）中的量子比特。 Schmitt 博士表示：“在抑制主要噪声源的同时提升驱动效率，是任何量子比特系统的理想状态。在这些实验中，我们成功将自旋量子比特调谐到一种‘双赢’工作区间，这可以视为超导量子比特中 transmon 工作区的对应物。随后我们还证明了多个（两个）量子比特可以同时被调谐到这一状态，并实现高保真度操作。” 未来，这项研究有望推动基于空穴自旋量子比特的高性能量子计算机的实现，使其能够可靠地应用于真实世界的场景中。 与此同时，Schmitt 博士及其实验室正在研究进一步的策略，以应对量子比特对噪声的敏感性并降低相关误差。 Schmitt 博士补充道：“既然电荷噪声已经得到解决，我们接下来需要应对另一种噪声来源——材料中核自旋引起的磁噪声。” “可以设想两种途径：一种是采用‘硬手段’，通过使用同位素纯化的硅将核自旋去除；另一种是精细工程化量子比特所处的核自旋环境。” Publication details M. Bassi et al, Optimal operation of hole spin qubits, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03106-1. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2412.13069 Journal information: Nature Physics , arXiv |
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