近日，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(IST)領(lǐng)導(dǎo)的歐洲科學(xué)團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了空穴自旋量子位。在弱磁場(chǎng)環(huán)境下，該量子位可高速操作并保持較長(zhǎng)時(shí)間，將來(lái)或有望造出結(jié)合半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的新型量子計(jì)算機(jī)。

自旋量子位(又稱量子比特)被認(rèn)為是構(gòu)建量子處理器的最有希望的候選者之一。由于易于操作且與硅技術(shù)兼容，空穴自旋量子位已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正慢慢接近有用的實(shí)現(xiàn)。但仍有巨大的挑戰(zhàn)需要克服。其中的關(guān)鍵是構(gòu)建穩(wěn)定的量子位，它是量子計(jì)算機(jī)的基本單元。

現(xiàn)在，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所的卡薩羅斯小組，在意大利、德國(guó)和西班牙的團(tuán)隊(duì)成員幫助下，通過(guò)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)展示了他們?nèi)绾慰刂乒腆w中一個(gè)空穴自旋量子位，進(jìn)而找到一種新的、有前途的量子位系統(tǒng)。相關(guān)成果發(fā)表在近日的《自然2材料》雜志上。

研究人員是在所謂空穴自旋的幫助下構(gòu)建的量子位。電子空穴指的是在原子或原子晶格中可能存在的位置上電子的空缺。由于周?chē)娮涌梢蕴钛a(bǔ)這個(gè)空穴，同時(shí)在原位置產(chǎn)生一個(gè)新的空穴，因此實(shí)際上的電子運(yùn)動(dòng)看起來(lái)就如同是空穴在移動(dòng)一樣。當(dāng)這些被視為帶正電的空穴靠近時(shí)會(huì)發(fā)生相互作用，表現(xiàn)出自旋的量子力學(xué)性質(zhì)。

論文第一作者，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所的達(dá)尼爾·吉羅維茨解釋說(shuō)：“我們?cè)?L-NESS (硅外延納米結(jié)構(gòu)和自旋電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室，位于意大利科莫的大學(xué)間中心)的同事將不同的硅和鍺層疊在一起，厚度僅為幾納米。這使我們能夠鎖定中間含鍺層的空穴。在表面層，我們放置了稱為門(mén)的細(xì)電線，通過(guò)施加電壓來(lái)控制空穴的運(yùn)動(dòng)。帶正電的空穴對(duì)電壓起反應(yīng)，并且可以在鍺層內(nèi)極其精確地移動(dòng)。”

通過(guò)這種納米尺度的控制，科學(xué)家們使兩個(gè)空穴彼此靠近，以便從它們相互作用的自旋中產(chǎn)生一個(gè)量子位。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，他們創(chuàng)新了方法，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)置于磁場(chǎng)中。吉羅維茨和他的同事不僅可以移動(dòng)空穴，還可以改變它們的屬性。在不到 10 毫特斯拉的磁場(chǎng)強(qiáng)度下他們從兩個(gè)相互作用的空穴自旋中創(chuàng)建了量子位。與其它類(lèi)似的量子位相比，這是一個(gè)很弱的磁場(chǎng)，后者一般需要至少?gòu)?qiáng)十倍的磁場(chǎng)。

這些空穴自旋量子位很有前景，高達(dá)每秒1億次的處理速度和長(zhǎng)達(dá)150微秒的壽命，使得它們特別適合量子計(jì)算。通常研究人員必須在這些特性之間做出妥協(xié)，但現(xiàn)在這種新的設(shè)計(jì)將這兩種優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。吉羅維茨說(shuō)：“通過(guò)使用鍺層，我們可以降低所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。這允許我們的量子位與通常受到強(qiáng)磁場(chǎng)抑制的超導(dǎo)體結(jié)合。”這可以使研究人員能夠構(gòu)建結(jié)合半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的新型量子計(jì)算機(jī)。(記者 李山)

關(guān)鍵詞： 弱磁場(chǎng) 空穴自旋量子 新型量子計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)