研究实现了硅中电子自旋的相干操作

近年来，许多物理学家和计算机科学家一直致力于量子计算技术的发展。这些技术基于量子比特，量子信息的基本单位。

与值为 0 或 1 的经典比特相比，量子比特可以以叠加状态存在，因此它们可以同时具有 0 和 1 的值。量子比特可以由不同的物理系统组成，包括电子、核自旋(即原子核的自旋状态)、光子和超导电路。

限制在硅量子点中的电子自旋(即微小的硅基结构)作为量子比特显示出特别的前景，特别是由于其长相干时间，高栅极保真度以及与现有半导体制造方法的兼容性。然而，相干地控制多个电子自旋态可能具有挑战性。

罗切斯特大学的研究人员最近推出了一种新的策略，可以相干地操纵硅量子点中的单个或多个电子自旋。这种方法在发表在《自然物理学》上的一篇论文中介绍，可以为开发可靠和高性能的量子计算机开辟新的可能性。

“与许多科学实验一样，我们最初是在研究一个不相关的主题，当我们开始注意到我们的数据中出现各种连贯振荡时。进行这项研究的研究人员之一约翰尼科尔告诉 Phys.org。“我们花了一点时间来提出理论解释，但一旦我们这样做了，一切都到位了。自旋谷耦合以前已经探索过很多次，但从未直接介导不同自旋状态之间的相干跃迁。

Nichol和他的同事提出的控制硅中电子自旋的策略利用了自旋谷耦合，即电子自旋和谷态之间的相互作用。硅量子点中的电子具有自旋数和谷量子数。它们的自旋状态可以是“向上”或“向下”，而它们的谷状态可以是+或-。

“例如，在一定的磁场下，向上+状态的能量几乎等于向下状态的能量，”Nichol解释说。“由于+和−状态之间的能量差取决于电场，我们可以使用电压脉冲使up，+精确地与向下共振，-。当这种情况发生时，最初以向上+状态准备的电子将相干地振荡到向下，−，来回振荡。这些是自旋谷振荡。

到目前为止，操纵硅量子点中电子自旋的标准方法需要使用时变磁场。Nichol和他的同事表明，他们的策略能够在不需要使用振荡电磁场的情况下对电子自旋进行相干操作。

“振荡磁场在低温下特别难以产生，而自旋谷耦合消除了这种需求，”Nichol说。“另一个成就是，硅中的谷自由度通常被视为硅量子比特的'错误'而不是特征，但我们的工作表明，它可能是一个非常有用的特征。

这组研究人员最近的工作强调了利用自旋谷耦合来实现基于限制在硅量子点中的电子自旋的量子位的相干控制的前景。在他们的下一篇论文中，他们希望更好地了解量子点的生长，制造和调谐的哪些特征会影响自旋谷耦合，因为这可以进一步为基于电子的量子计算技术的制造提供信息。

“我们还想探索如何在这个框架中实现多量子比特门，”Nichol补充道。“一个挑战是需要为每个量子比特单独调整磁场，我们正在研究实现这一点的现实方法。

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