理化學研究所在硅量子點壽命研究上獲得突破

日本理化學研究所的物理學家開發了一個優化半導體納米設備的理論模型，證明了精心設計的量子點可以創造出抗電噪聲的強大的硅空旋量子比特。這項研究對于理解去噪和設計大規模量子計算機至關重要。

理化學研究所三位物理學家開發的用于優化半導體納米器件的理論模型將有助于擴大量子硬件的規模。

被困在半導體設備中的電子為未來的量子計算機提供了一個很有前途的構建模塊。電子有一種被稱為自旋的特性，當被測量時，它以兩種狀態之一存在，就像傳統計算中使用的二進制信息，或比特。但由于其量子性質，自旋可以存在于兩種狀態的疊加中。這些量子比特，或稱量子比特，是量子信息處理的核心。

彼得-斯塔諾和兩位同事為優化基于硅量子點的自旋量子比特的設計開發了一個理論模型。

電子或其帶正電的對應物，即空穴，可以被隔離在被稱為量子點的微小半導體塊中。但電子和空穴的自旋只能在有限的時間內保持其量子狀態。來自自旋環境的干擾，或噪音，可以改變自旋狀態。理化學研究所新興物質科學中心(CEMS)的彼得-斯塔諾解釋說："一旦一個量子狀態被分配給一個量子比特，它立即開始消退。"

這種不可避免的衰變，或稱去相位，是一個基本的限制，也是與經典信息的一個重大區別，經典信息可以被永久化。了解耗損對于開發緩解耗損的方法至關重要，從而有助于大規模量子計算機的設計。

現在，斯塔諾與CEMS的同事Ognjen Malkoc和Daniel Loss一起，從理論上建立了一個被困在硅量子點中的孔的模型。利用這個模型，他們證明了空穴自旋保持其量子狀態的時間長度取決于量子點的大小和形狀以及施加在它身上的磁場和電場。

該團隊通過超越既定的理論模型，確定了量子點的穩健配置。斯塔諾說："我們的結果表明，通過精心設計一個量子點，并以特定的方式放置電場和磁場，我們可以找到甜蜜點，在這些甜蜜點上，硅空穴-自旋量子比特對電噪聲具有明顯的魯棒性。"

這突出了自旋量子比特的主要優勢之一--它們在很大程度上不受電噪聲的影響，電噪聲是每個半導體設備中存在的最強類型的噪聲。

但是去噪只是優化量子點用于量子信息處理時的設計考慮之一。讀取、寫入和操作量子信息的速度和可靠性也很重要。

"所有這些方面都會對量子點設計有類似的敏感性，"斯塔諾說。"我們的目標是利用這里也看到的敏感性，并優化自旋-量子位設計。"