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弱磁场下空穴自旋量子位构建成功

编辑:小科普 时间:2021-06-07 来源:科技日报

  近日,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。


  自旋量子位被认为是构建量子处理器的最有希望的候选者之一,但仍需克服巨大的挑战。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。


  最近,该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。相关成果发表在近日的《自然·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,电子在可能存在的位置上出现空缺。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,所以看起来就像是空穴在移动一样。


  论文第一作者、该研究所的达尼尔·吉罗维茨解释说,我们意大利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,研究人员使两个空穴彼此靠近,以便从它们相互作用的自旋中产生一个量子位。为此他们创新了方法,将整个实验置于磁场中。吉罗维茨和同事不仅可以移动空穴,还可以改变它们的属性。在不到10毫特斯拉的磁场强度下,从两个相互作用的空穴自旋中创建了量子位。与其他类似的量子位相比,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,使它们特别适合量子计算。通常研究人员必须在这些特性之间做出妥协,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,可以降低所需的磁场强度,允许我们将量子位与通常受到强磁场抑制的超导体结合。”这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。