近日，奧地利科學技術研究所(IST)領導的歐洲科學團隊成功構建了空穴自旋量子位。在弱磁場環(huán)境下，該量子位可高速操作并保持較長時間，將來或有望造出結合半導體和超導體的新型量子計算機。
自旋量子位(又稱量子比特)被認為是構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兼容，空穴自旋量子位已成為人們關注的焦點。世界各地的許多實驗室正慢慢接近有用的實現(xiàn)。但仍有巨大的挑戰(zhàn)需要克服。其中的關鍵是構建穩(wěn)定的量子位，它是量子計算機的基本單元。
現(xiàn)在，奧地利科學技術研究所的卡薩羅斯小組，在意大利、德國和西班牙的團隊成員幫助下，通過一項實驗展示了他們?nèi)绾慰刂乒腆w中一個空穴自旋量子位，進而找到一種新的、有前途的量子位系統(tǒng)。相關成果發(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。由于周圍電子可以填補這個空穴，同時在原位置產(chǎn)生一個新的空穴，因此實際上的電子運動看起來就如同是空穴在移動一樣。當這些被視為帶正電的空穴靠近時會發(fā)生相互作用，表現(xiàn)出自旋的量子力學性質(zhì)。
論文第一作者，奧地利科學技術研究所的達尼爾·吉羅維茨解釋說：“我們在 L-NESS (硅外延納米結構和自旋電子學實驗室，位于意大利科莫的大學間中心)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，我們放置了稱為門的細電線，通過施加電壓來控制空穴的運動。帶正電的空穴對電壓起反應，并且可以在鍺層內(nèi)極其精確地移動。”
通過這種納米尺度的控制，科學家們使兩個空穴彼此靠近，以便從它們相互作用的自旋中產(chǎn)生一個量子位。為了實現(xiàn)這一目的，他們創(chuàng)新了方法，將整個實驗置于磁場中。吉羅維茨和他的同事不僅可以移動空穴，還可以改變它們的屬性。在不到 10 毫特斯拉的磁場強度下他們從兩個相互作用的空穴自旋中創(chuàng)建了量子位。與其它類似的量子位相比，這是一個很弱的磁場，后者一般需要至少強十倍的磁場。
這些空穴自旋量子位很有前景，高達每秒1億次的處理速度和長達150微秒的壽命，使得它們特別適合量子計算。通常研究人員必須在這些特性之間做出妥協(xié)，但現(xiàn)在這種新的設計將這兩種優(yōu)勢結合在一起。吉羅維茨說：“通過使用鍺層，我們可以降低所需的磁場強度。這允許我們的量子位與通常受到強磁場抑制的超導體結合。”這可以使研究人員能夠構建結合半導體和超導體的新型量子計算機。(記者 李山)
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