中国科学技术大学 信用:CC0公共领域 通过相对于硅晶片的晶轴调整外部磁场的方向，在硅量子点中报告了超过两个数量级的自旋寿命(弛豫时间)的改善
这一突破是由中国科学院量子信息重点实验室郭广灿院士领导的团队完成的
郭，教授
李海欧与同事和Origin量子计算有限公司
这项工作发表在2020年6月23日的《物理评论快报》上
基于硅量子点的自旋量子比特由于其长的相干时间和与现代半导体技术的兼容性，已经成为大规模量子计算发展的核心问题
最近，在硅金属氧化物半导体和硅/硅锗异质结构中发展的自旋量子位的弛豫时间和退相时间分别超过了几百毫秒和几百微秒，导致单量子位控制保真度超过99
9%，双量子位门保真度超过98%
随着在大学的成功，实验室和行业公司开始涉足这一领域，如英特尔、东航和IMEC
然而，硅量子点中谷态(一种与特定电子带的倾角相关的状态)的存在会通过自旋谷混合严重减少自旋弛豫时间和退相时间，并限制量子位的控制保真度
据报道，在一定磁场下，自旋谷混合可以使自旋弛豫时间缩短到1毫秒以下(在一定条件下甚至1微秒)，称为自旋弛豫“热点”
“当量子比特的数量增加时，这种现象将导致大量的“坏”量子比特，并阻碍进一步扩展到更多的量子比特
抑制自旋谷混合的不利影响的传统方法是增加谷分裂的幅度并将量子位推得很远，使得自旋态和谷态不再混合
然而，由于谷态受到来自材料的多种因素的影响，这些因素通常是不均匀的，谷分裂的幅度很难控制(特别是在硅/硅锗异质结构中)
另一种方法是直接控制自旋谷混合的大小
据报道，在GaAs量子点中，自旋-轨道耦合的强度可以通过面内磁场取向来调节，从而延长了自旋弛豫时间
然而，到目前为止，仍然没有关于外部磁场方向如何影响硅中自旋谷混合强度的报道
为了解决这个问题，教授
李海欧教授
郭及其同事制作了高质量的硅金属氧化物半导体量子点，实现了自旋量子位的单次读出
基于这一可靠的技术，他们研究了外部磁场的强度和方向对自旋弛豫速率的影响
他们发现，当面内外部磁场以一定角度定向时，自旋弛豫“热点”可以“冷却”两个数量级，将弛豫时间从1毫秒以下增加到100毫秒以上
这一巨大的变化表明自旋谷混合得到了有效的抑制，为进一步研究如何消除自旋量子位的自旋谷混合奠定了基础
此外，研究人员发现，当电场变化时，这种各向异性仍可能超过两个数量级
这表明各向异性的大小在一定范围内与电场无关，它可以应用于包含不同局部电场的量子位阵列，这将为优化硅基自旋量子位的读出、控制和多量子位扩展提供新的方向
这项工作得到了匿名评审者的高度评价，他们说:“这项工作对揭示潜在现象和解决寻找最佳工作条件以利用硅量子点中自旋自由度的实际问题做出了重要贡献， “这篇手稿中的研究代表了对量子点中自旋弛豫各向异性的为数不多的广泛研究之一，并提供了潜在的新方法来探索谷间和谷内自旋混合机制的各向异性特性，”以及“对自旋、谷和轨道自由度的相互作用的物理理解随着这项工作而进入了一个新的水平
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