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磁性“最佳区域”能够实现空穴自旋量子比特的最佳运行。

发布时间：2026-01-29 16:19:59 阅读数： 51

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实验中使用的双量子比特器件安装在稀释制冷机中的印刷电路板 (PCB) 上。

量子计算机是利用量子力学效应处理信息的系统，能够可靠地解决经典计算机无法解决的各种计算问题。这些系统以量子比特的形式处理信息，量子比特是信息的单位，可以同时存在于两种状态（0 和 1）。

空穴自旋，即空穴（也就是半导体中缺失的电子，可以被捕获在称为量子点的纳米级区域中）的固有角动量，已被广泛用作量子比特。这些自旋可以通过电场进行控制，因为它们受到一种称为自旋轨道耦合的量子效应的强烈影响，这种效应将粒子的运动与其磁性联系起来。

遗憾的是，由于这种自旋轨道耦合，空穴自旋量子比特也极易受到噪声的影响，包括可能导致退相干的随机电扰动。这反过来又会导致宝贵量子信息的丢失。

由法国原子能委员会 (CEA) 和格勒诺布尔大学联合成立的 Pheliqs 实验室的研究人员设计了一种策略，可以实现空穴自旋量子比特的最佳运行。

他们在《自然·物理学》杂志上发表的一篇论文中概述了他们提出的方法，该方法依赖于实现独特的磁场方向（称为“甜蜜点”），这使得量子比特能够抵抗电噪声，而不会影响对其的易于控制。

“在许多量子比特平台上，操作保真度仍然受到与周围环境耦合产生的噪声的固有限制，这给大规模量子计算机的实现带来了重大挑战，”该论文的资深作者 Vivien Schmitt 博士和第一作者 Marion Bassi 博士表示。

“了解这些主要噪声源及其对量子比特特性的影响是这项工作的核心问题，我们可以将其概括为两点：我们能否理解量子比特如何对某些类型的噪声做出反应，以及我们能否利用量子比特特性的各向异性来为我们带来优势？”

纵向自旋电极化率的装置和测量。

支持自旋空穴量子比特的可靠调谐

施密特博士、巴斯博士及其同事着手研究空穴自旋量子比特的运行速度和相干性如何受到不同磁场方向下电噪声的影响。为此，他们构建了一个由囚禁在硅量子点内的单个空穴组成的量子比特，然后对其施加不同方向的磁场，并观察这些方向差异产生的影响。

施密特博士解释说： “我们研究的系统由一根硅纳米线组成，上面覆盖着与小型 MOSFET 晶体管非常相似的栅极，电压使我们能够在极低温下将单个电荷捕获在纳米线中。”

“在外部磁场的作用下，该电荷的自旋就是我们的量子比特。对于空穴自旋量子比特而言，一个核心问题是：在存在电噪声的情况下，我们能够以多快的速度和多长的时间来对量子比特执行量子操作（量子门）？”

研究人员发现了一些他们称之为“最佳磁场方向”的磁场方向。在这些方向上，量子比特对电场波动不敏感，从而导致其相干时间延长。

“我们的研究结果表明，这种性能提升可以在保持高驱动效率的同时实现，而这两项关键指标通常是相互矛盾的。”巴斯博士说道。“受这些结果的启发，我们进一步研究了改变空穴捕获方式（即改变施加在近栅极上的电压）会在多大程度上影响这些具有增强性能的弹性点。”

施密特博士、巴斯博士及其同事随后采用相同的实验方法，将第二个量子比特调整到与第一个量子比特相同的最佳状态。这项测试取得了成功，表明他们的方法可以应用于包含更多量子比特的大型系统。

团队未来方法的扩展

在初步实验中，该团队发现其方法能够可靠地优化两个量子比特的运行，降低它们对电噪声的敏感性，同时又不影响它们对电控制信号的响应。

虽然研究人员目前已将他们提出的策略应用于硅基量子比特，但该策略也可应用于其他超导材料（如锗）中的量子比特。

施密特博士表示：“对于任何量子比特系统而言，在提高驱动效率的同时，还能对主要噪声源保持不敏感，这是最理想的情况。在这些实验中，我们成功地将自旋量子比特调谐到了一种双赢状态，这可以看作是超导量子比特的超导量子比特状态的等效状态。随后，我们证明了可以同时将多个量子比特调谐到这种状态，并且都能实现高保真度的操作。”

未来，这项最新研究有望推动基于空穴自旋量子比特的高性能量子计算机的实现，使其能够可靠地部署在现实世界中。

与此同时，施密特博士和他的实验室正在研究进一步的策略，以解决量子比特对噪声的敏感性，并减少相关的错误。

施密特博士补充道： “既然电荷噪声已经得到解决，我们需要解决下一个噪声源，即材料中核自旋产生的磁噪声。”

“可以设想两种方法，要么使用同位素纯化的硅进行强力移除，要么精心设计量子比特所处的核自旋浴。”