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自旋量子位被认为是构建量子处理器的最有希望的候选者之一

日,奥地利科学技术研究所(IST)领导的欧洲科学团队成功构建了空穴自旋量子位。在弱磁场环境下,该量子位可高速操作并保持较长时间,将来或有望造出结合半导体和超导体的新型量子计算机。

自旋量子位(又称量子比特)被认为是构建量子处理器的最有希望的候选者之一。由于易于操作且与硅技术兼容,空穴自旋量子位已成为人们关注的焦点。世界各地的许多实验室正慢慢接有用的实现。但仍有巨大的挑战需要克服。其中的关键是构建稳定的量子位,它是量子计算机的基本单元。

现在,奥地利科学技术研究所的卡萨罗斯小组,在意大利、德国和西班牙的团队成员帮助下,通过一项实验展示了他们如何控制固体中一个空穴自旋量子位,进而找到一种新的、有前途的量子位系统。相关成果发表在日的《自然2材料》杂志上。

研究人员是在所谓空穴自旋的帮助下构建的量子位。电子空穴指的是在原子或原子晶格中可能存在的位置上电子的空缺。由于周围电子可以填补这个空穴,同时在原位置产生一个新的空穴,因此实际上的电子运动看起来就如同是空穴在移动一样。当这些被视为带正电的空穴靠时会发生相互作用,表现出自旋的量子力学质。

论文第一作者,奥地利科学技术研究所的达尼尔·吉罗维茨解释说:“我们在 L-NESS (硅外延纳米结构和自旋电子学实验室,位于意大利科莫的大学间中心)的同事将不同的硅和锗层叠在一起,厚度仅为几纳米。这使我们能够锁定中间含锗层的空穴。在表面层,我们放置了称为门的细电线,通过施加电压来控制空穴的运动。带正电的空穴对电压起反应,并且可以在锗层内极其精确地移动。”

通过这种纳米尺度的控制,科学家们使两个空穴彼此靠,以便从它们相互作用的自旋中产生一个量子位。为了实现这一目的,他们创新了方法,将整个实验置于磁场中。吉罗维茨和他的同事不仅可以移动空穴,还可以改变它们的属。在不到 10 毫特斯拉的磁场强度下他们从两个相互作用的空穴自旋中创建了量子位。与其它类似的量子位相比,这是一个很弱的磁场,后者一般需要至少强十倍的磁场。

这些空穴自旋量子位很有前景,高达每秒1亿次的处理速度和长达150微秒的寿命,使得它们特别适合量子计算。通常研究人员必须在这些特之间做出妥协,但现在这种新的设计将这两种优势结合在一起。吉罗维茨说:“通过使用锗层,我们可以降低所需的磁场强度。这允许我们的量子位与通常受到强磁场抑制的超导体结合。”这可以使研究人员能够构建结合半导体和超导体的新型量子计算机。(记者 李山)

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