巴塞尔大学和NCCRSPIN的研究人员首次实现了传统硅晶体管中两个空穴自旋量子位之间的可控相互作用。这一突破开启了使用成熟的制造工艺将数百万个量子位集成在单个芯片上的可能性。

建造实用量子计算机的竞赛正在顺利进行。世界各地的研究人员正在研究各种各样的量子比特技术。到目前为止，对于哪种类型的量子位最适合最大限度地发挥量子信息科学的潜力尚未达成共识。

量子位是量子计算机的基础：它们负责数据的处理、传输和存储。为了正确工作，它们必须可靠地存储和快速处理信息。快速信息处理的基础是大量量子位之间稳定且快速的交互，这些量子位的状态可以从外部可靠地控制。

为了使量子计算机实用化，单个芯片上必须容纳数百万个量子位。当今最先进的量子计算机只有几百个量子位，这意味着它们只能执行传统计算机上已经可以(并且通常更有效)的计算。

电子和空穴

为了解决排列和连接数千个量子位的问题，巴塞尔大学和NCCRSPIN的研究人员依赖于一种利用电子或空穴自旋(内在角动量)的量子位。空穴本质上是半导体中缺失的电子。

空穴和电子都具有自旋，可以采用两种状态之一：向上或向下，类似于经典位中的0和1。与电子自旋相比，空穴自旋的优点是它可以完全由电控制，而不需要芯片上的微磁体等额外组件。

早在2022年，巴塞尔物理学家就能够证明现有电子设备中的空穴自旋可以被捕获并用作量子位。这些“FinFET”(鳍式场效应晶体管)内置于现代智能手机中，并在广泛的工业流程中生产。现在，由AndreasKuhlmann博士领导的团队首次成功实现了在此设置中两个量子位之间的可控相互作用。

快速、精确控制的旋转翻转

量子计算机需要“量子门”来执行计算。这些代表操纵量子位并将它们相互耦合的操作。正如研究人员在《自然物理学》杂志上报道的那样，他们能够耦合两个量子位，并根据另一个量子位的状态实现其中一个自旋的受控翻转——称为受控自旋翻转。

“空穴自旋使我们能够创建既快速又高保真的双量子位门。这一原理现在也使得耦合更多数量的量子位对成为可能，”库尔曼说。

两个自旋量子位的耦合基于它们的交换相互作用，这种交换相互作用发生在两个彼此静电相互作用的不可区分的粒子之间。令人惊讶的是，空穴的交换能量不仅是电可控的，而且具有很强的各向异性。这是自旋轨道耦合的结果，这意味着空穴的自旋状态受到其空间运动的影响。

为了在模型中描述这一观察结果，巴塞尔大学的实验物理学家和理论物理学家以及NCCRSPIN联合起来。“各向异性使得两个量子位门成为可能，而无需在速度和保真度之间进行通常的权衡，”库尔曼博士说。

“基于空穴自旋的量子位不仅利用了经过考验的硅芯片制造，而且还具有高度可扩展性，并且在实验中被证明是快速和稳健的。”该研究强调，这种方法在开发大规模量子计算机的竞赛中具有很大的机会。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：