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rlafite木蟲 (正式寫手)
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磁性“甜點”實現(xiàn)空穴自旋量子比特的最優(yōu)運行
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磁性“甜點”實現(xiàn)空穴自旋量子比特的最優(yōu)運行 **磁性“甜點”實現(xiàn)空穴自旋量子比特的最優(yōu)運行** 量子計算機是一類利用量子力學(xué)效應(yīng)處理信息的系統(tǒng)，有望可靠地解決經(jīng)典計算機無法完成的多種計算問題。這類系統(tǒng)以量子比特（qubit）為信息載體，量子比特可以同時處于兩種狀態(tài)（0 和 1）。 空穴自旋——即空穴的內(nèi)稟角動量（空穴是半導(dǎo)體中缺失的電子，可被限制在稱為量子點的納米尺度區(qū)域中）——已被廣泛用作量子比特。由于受到一種稱為自旋—軌道耦合的量子效應(yīng)強烈影響（該效應(yīng)將粒子的運動與其磁性聯(lián)系起來），空穴自旋可以通過電場進行操控。 然而，正是由于自旋—軌道耦合，空穴自旋量子比特也對噪聲高度敏感，包括隨機的電擾動，這些擾動會引發(fā)退相干，進而導(dǎo)致寶貴量子信息的丟失。 來自 Pheliqs（CEA 與格勒諾布爾大學(xué)的聯(lián)合實驗室）的研究人員提出了一種策略，可實現(xiàn)空穴自旋量子比特的最優(yōu)運行。 他們在《Nature Physics》發(fā)表的論文中提出，該方法依賴于特定磁場方向的設(shè)置，這些方向被稱為“甜點”（sweet spots）。在這些方向下，量子比特在不影響其可控性的前提下，對電噪聲表現(xiàn)出更強的魯棒性。 論文的通訊作者和第一作者分別為 Vivien Schmitt 博士和 Marion Bassi 博士。Schmitt 博士表示：“在多種量子比特平臺中，運行保真度本質(zhì)上仍受限于與周圍環(huán)境耦合產(chǎn)生的噪聲，這給實現(xiàn)大規(guī)模量子計算機帶來了重大挑戰(zhàn)�！� Bassi 博士補充道：“理解這些主要噪聲來源及其對量子比特性質(zhì)的影響，是推動本研究的核心問題。我們可以將其概括為兩點：我們能否理解量子比特對特定類型噪聲的響應(yīng)？以及能否利用量子比特性質(zhì)的各向異性為我們所用？” **縱向自旋—電易感性的器件與測量。** 圖片來源：Nature Physics（2025），DOI：10.1038/s41567-025-03106-1 --- ### 支持空穴自旋量子比特的可靠調(diào)控 Schmitt 博士、Bassi 博士及其同事研究了在不同磁場取向下，電噪聲如何影響空穴自旋量子比特的運行速度與相干性。為此，他們構(gòu)建了一個由單個空穴組成的量子比特，該空穴被束縛在一個硅量子點中。隨后，他們施加不同方向的磁場，并觀察磁場方向變化所帶來的影響。 Schmitt 博士解釋道：“我們研究的系統(tǒng)由一根硅納米線構(gòu)成，其上覆蓋著與小型 MOSFET 晶體管非常相似的柵極結(jié)構(gòu)。通過施加電壓，我們可以在深低溫條件下將單個電荷困在納米線中�！� “在外加磁場下，這個電荷的自旋即構(gòu)成我們的量子比特。對于空穴自旋量子比特而言，一個核心問題是：在存在電噪聲的情況下，我們能夠在多長時間內(nèi)、以多快的速度對量子比特執(zhí)行量子操作（量子門）。” 研究人員發(fā)現(xiàn)了若干特定的磁場取向，即所謂的“甜點”。在這些取向下，量子比特對電漲落不敏感，從而顯著提升了其相干時間。 Bassi 博士表示：“我們的結(jié)果表明，在保持高驅(qū)動效率的同時可以實現(xiàn)這種相干性增強，而這兩個關(guān)鍵指標(biāo)通常是相互制約的。受此啟發(fā)，我們進一步研究了改變空穴束縛方式（即改變鄰近柵極上施加的電壓）在多大程度上會影響這些具備增強性能的穩(wěn)健工作點�！� 隨后，研究團隊采用相同的實驗方法，將第二個量子比特調(diào)諧到與第一個量子比特相同的“甜點”。實驗取得了成功，這表明該方法有望推廣到包含更多量子比特的更大規(guī)模系統(tǒng)中。 --- ### 方法的未來擴展 在初步實驗中，該方法已被證明能夠可靠地優(yōu)化兩個量子比特的運行，在不削弱其對電控信號響應(yīng)的情況下，顯著降低了它們對電噪聲的敏感性。 盡管研究人員目前將該策略應(yīng)用于基于硅的量子比特，但它同樣適用于其他半導(dǎo)體材料（如鍺）中的量子比特。 Schmitt 博士表示：“在抑制主要噪聲源的同時提升驅(qū)動效率，是任何量子比特系統(tǒng)的理想狀態(tài)。在這些實驗中，我們成功將自旋量子比特調(diào)諧到一種‘雙贏’工作區(qū)間，這可以視為超導(dǎo)量子比特中 transmon 工作區(qū)的對應(yīng)物。隨后我們還證明了多個（兩個）量子比特可以同時被調(diào)諧到這一狀態(tài)，并實現(xiàn)高保真度操作。” 未來，這項研究有望推動基于空穴自旋量子比特的高性能量子計算機的實現(xiàn)，使其能夠可靠地應(yīng)用于真實世界的場景中。 與此同時，Schmitt 博士及其實驗室正在研究進一步的策略，以應(yīng)對量子比特對噪聲的敏感性并降低相關(guān)誤差。 Schmitt 博士補充道：“既然電荷噪聲已經(jīng)得到解決，我們接下來需要應(yīng)對另一種噪聲來源——材料中核自旋引起的磁噪聲。” “可以設(shè)想兩種途徑：一種是采用‘硬手段’，通過使用同位素純化的硅將核自旋去除；另一種是精細工程化量子比特所處的核自旋環(huán)境�！� Publication details M. Bassi et al, Optimal operation of hole spin qubits, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03106-1. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2412.13069 Journal information: Nature Physics , arXiv |
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