弱磁场下空穴自旋量子位构建成功

近日，奥地利科学技术研究所（IST）领导的欧洲科学团队成功构建了空穴自旋量子位。在弱磁场环境下，该量子位可高速操作并保持较长时间，将来有望造出结合半导体和超导体的新型量子计算机。

自旋量子位被认为是构建量子处理器的最有希望的候选者之一，但仍需克服巨大的挑战。其中的关键是构建稳定的量子位，它是量子计算机的基本单元。

最近，该研究所的卡萨罗斯小组在意大利、德国和西班牙的团队成员帮助下，通过一项实验展示了他们如何控制固体中一个空穴自旋量子位，进而找到一种新的、有前途的量子位系统。相关成果发表在近日的《自然·材料》杂志上。

研究人员是在所谓空穴自旋的帮助下构建的量子位。电子空穴指的是在原子或原子晶格中，电子在可能存在的位置上出现空缺。由于周围电子可以填补这个空穴，同时在原位置产生一个新的空穴，所以看起来就像是空穴在移动一样。

论文第一作者、该研究所的达尼尔·吉罗维茨解释说，我们意大利的同事将不同的硅和锗层叠在一起，厚度仅为几纳米。这使我们能够锁定中间含锗层的空穴。在表面层，我们放置了称为门的细电线，通过施加电压来控制空穴的运动。带正电的空穴对电压起反应，并且可以在锗层内极其精确地移动。

通过这种纳米尺度的控制，研究人员使两个空穴彼此靠近，以便从它们相互作用的自旋中产生一个量子位。为此他们创新了方法，将整个实验置于磁场中。吉罗维茨和同事不仅可以移动空穴，还可以改变它们的属性。在不到10毫特斯拉的磁场强度下，从两个相互作用的空穴自旋中创建了量子位。与其他类似的量子位相比，这是一个很弱的磁场，后者一般需要至少强十倍的磁场。

这些空穴自旋量子位很有前景，高达每秒1亿次的处理速度和长达150微秒的寿命，使它们特别适合量子计算。通常研究人员必须在这些特性之间做出妥协，但现在这种新的设计将这两种优势结合在一起。吉罗维茨说：“通过使用锗层，可以降低所需的磁场强度，允许我们将量子位与通常受到强磁场抑制的超导体结合。”这使研究人员能够构建结合半导体和超导体的新型量子计算机。