量子计算中的人造原子

• 限制在半导体量子点中的电子的自旋态是量子计算的理想平台。这种装置被称为人造原子。
• 使用孔的自旋状态而不是电子的自旋态可以解决关于相干性和切换速度的几个重要挑战。
• 粒子的“旋转”是其固有的角动量。
• 定义孔电通常被认为是电子流。然而，并非总是如此：在半导体中，电也可以由称为孔的不同类型的粒子携带。事实上，所有电子开关中都有一半使用孔。
• 人造原子(又称量子点)是纳米级晶体管，它们很小，它们的行为类似于合成原子。利用单个电子的量子行为，这种装置对于一种新型的“基于自旋”的量子计算机显示出巨大的希望，其中粒子自旋将提供额外的自由度。
• 使用孔而不是电子的人造原子可以显著地加快门的操作，同时仍然保持较长的自旋寿命。

然而，尽管经过50多年的研究，几乎所有的技术发展都集中在使用电子的人造原子上。对孔的理解还很少。到底可以用孔建造人造原子吗？

这项新研究由新南威尔士大学的Scott Liles和Ruoyu Li领导。同时，这项新研究是物理学Alex Hamilton教授和电气工程Andrew Dzurak教授合作的一部分。它展示了为量子信息处理制作孔基人造原子的关键一步。

“这是第一次对只有一个孔的人造原子的自旋物理学进行的详细研究。” Scott Liles说，“因此，这使得对于孔的理解与对电子的理解能够提到同样的高度，这是一个巨大的进步。”

来自新南威尔士大学的Scott Liles和合作者使用精确控制这些微小的纳米制造晶体管内的电磁环境来研究具有一到八个孔的人造原子的行为。

“我们的研究结果表明，孔基人造原子与其电子对应物具有非常不同的特性。通过了解和利用孔的独特性质，我们将有更多的工具来开发新的半导体电子器件。” Scott Liles说。

孔可能只是未来计算机的组成部分。

• 研究题为《硅金属氧化物半导体量子点中前六个孔的自旋填充和轨道结构》发表在Nature Communications上。
• 该论文报道了一种平面p-type硅MOS量子点的首次测量，它能够运行到最后一个孔。
• 自旋和轨道结构的特征在于表面门控硅MOS量子点(“人造原子”)中的前六个孔态(the first six hole states in a surface-gated silicon MOS quantum dot)，与理论一致。
• 这些结果是朝着基于孔的自旋量子比特迈出了希望的一步，代表了一个稳定的单孔量子点，它在相同的平面几何结构中运行，已经证明它对于电子自旋量子比特非常成功。
• 此外，硅MOS技术具有与当前工业技术兼容的优势，可以扩展到多个高度连贯、快速的量子比特。

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译，并整理在量子客(Qtumist.com)上发布。

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