量子客导读:

当自旋-轨道量子比特相干时间提升10000倍,量子计算机的发展将如何?

 

作为量子计算机的一种特殊技术栈,自旋-轨道量子比特(Spin-orbit  qubits)由于其易操作和能够实现长距离耦合的特点,科学家已经对其研究了数十年之久。但是,对于可用量子计算机而言,它们的相干时间是远远不够的。

新南威尔士大学(UNSW)的科学家已经证明,当硅中自旋轨道耦合足够强大,硅中自旋-轨道量子比特的相干时间便会增加,而且可达之前相干时间记录的10000倍。

该研究已于昨日发表在《Nature Materials》[1]上,当自旋轨道耦合足够强时,保持较长的相干时间成为现实。不言而喻,该技术成了扩展大规模硅量子计算机的理想候选方案。研究者证明了超长的相干时间可达10ms。这颠覆了过去的认识,也就是说自旋-轨道量子比特可以非常稳健的运行。

 

你要的长相干量子比特来了,较之前增加10000倍-量子客
图1 | 论文 (来源:Nature)

 

强耦合是关键

根本上,量子比特的稳定性,决定了量子比特可以保留量子信息的时间长度。在自旋-轨道量子比特中,信息存储在电子的自旋及其轨道中。正是这两个自旋之间的耦合强度使量子比特保持稳定,并且不易被器件中的电噪声破坏。

该研究的主要作者日本东北大学的Kobayashi博士在对外描述时提到:大多数自旋-轨道量子比特中的信息其实非常淘气,很脆弱。而本文提到的解决方案因其特殊性,使得存储的量子信息非常稳健。也即是说,这里的信息存储在电子自旋的方向和轨道上,而不仅仅是存于自旋中。由于自旋-轨道耦合中的强大吸引力,带电电子的圆形轨道和自旋像齿轮一样被锁定在一起。

所以这种强耦合提供了关键性的作用,当增加自旋轨道耦合的强度时,量子比特就实现了更长的相干时间。

 

你要的长相干量子比特来了,较之前增加10000倍-量子客
图2 | 自旋-轨道的强耦合(来源:Takashi Kobayashi )

 

长相干时间是大方向

为了增加相干时间,研究人员首先通过在硅晶体中引入称为受体掺杂原子(Acceptor dopant atoms)的杂质,以用来创建自旋-轨道量子比特。

研究小组改变了芯片硅晶格结构中的应变(Strain),以产生不同程度的自旋-轨道耦合。这种晶体之所以特别,是因为它只包含没有核自旋的硅同位素。这消除了磁噪声,并且由于应变过大,对电噪声的敏感性也降低了。研究人员表示,他们的芯片被固定在一种材料上,这种材料在低温下可以伸展硅,就像橡皮筋一样。当将晶格拉伸到合适的张力时,便能够实现将自旋-轨道耦合调整到最佳值。

通过这种方式,实现了自旋-轨道量子比特相干时间与以前的相干时间相比,长了10,000倍。这意味着量子信息可以保留更长的时间,从而可以执行更多的操作,这是扩展量子计算机至关重要的因素。

 

通过自旋-轨道耦合扩大规模

老生常谈,为了使量子计算机的性能超越传统计算机,需要扩大量子比特的数量,才能执行复杂的计算。自旋-轨道量子比特因为对电场的独一无二的稳定性,为制造可扩展的量子计算机提供了强有力的新途径。

这一发现最终为操纵单量子比特和耦合量子比特提供了新方法,这将使得后期量子芯片制造的方法更加的灵活。不仅如此,电子的相互作用还允许其与其它量子系统相互耦合,从而打开了混合量子系统的大好世界。

相干时间,已经成了量子计算的核心话题之一,该研究为大规模量子计算机提供了方向性的指导。量子计算机也可以寻求稳定并且能和当前的计算机处理技术兼容,不仅仅使大规模量子计算机成为可能,还使批量制造大规模量子计算机也成为可能。

 

参考文献:

[1] 论文:http://dx.doi.org/10.1038/s41563-020-0743-3

 

声明:此文出于传递高质量信息之目的,若来源标注错误或侵权,请作者持权属证明与我们联系,我们将及时更正、删除,所有图片的版权归属所引用组织机构,此处仅引用,原创文章转载需授权。

 

作者Henry  Fan       校对 |  Viky