Team opnåede kontrol på højt niveau af spin qubit levetid baseret på silicium kvanteprikker

Ved at justere retningen af ​​det eksterne magnetfelt i forhold til siliciumwaferens krystallografiske akse, en forbedring af spin-levetiden (afslapningstid) med over to størrelsesordener blev rapporteret i siliciumkvanteprikker. Dette gennembrud blev udført af et team ledet af akademiker Guo Guangcan fra CAS Key Laboratory of Quantum Information, USTC, hvori Prof. Guo Guoping, Prof. Li Hai-Ou med deres kolleger og Origin Quantum Computing Company Limited. Dette værk blev udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve den 23. juni, 2020.

Spin qubits baseret på silicium kvanteprikker har været et kerneproblem i udviklingen af ​​storskala kvanteberegning på grund af dens lange sammenhængstid og kompatibiliteten med moderne halvlederteknologi. For nylig, afslapningstiden og udfasningstiden for spin-qubits udviklet i Si MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) og Si/SiGe-heterostrukturen har overgået hundredvis af millisekunder og hundredvis af mikrosekunder, henholdsvis, hvilket resulterer i en enkelt-qubit-kontrolfidelitet over 99,9% og en to-qubit-gatefidelitet over 98%. Med succesen på college, laboratorier og virksomheder fra industrien begynder at blive involveret i dette felt, såsom Intel, CEA-Leti, og IMEC. Imidlertid, Eksistensen af ​​daltilstande (en tilstand forbundet med dykket i et bestemt elektronisk bånd) i siliciumkvanteprikker kunne reducere spinrelaksationstiden og udfasningstiden alvorligt via spin-dal-blanding og begrænse kontrolnøjagtigheden af ​​qubits. Det blev rapporteret, at ved et bestemt magnetfelt, spin-dal-blanding kan reducere spin-relaksationstiden til kortere end et millisekund (selv et mikrosekund under visse forhold), kaldet en spin -afslapning "hot spot". Når antallet af qubits stiger, dette fænomen vil forårsage et stort antal "dårlige" qubits og hindrer yderligere udvidelse til flere qubits.

En traditionel metode til at undertrykke de negative virkninger fra spin-dal-blanding er at øge omfanget af dalopdeling og skubbe qubit så langt væk, at spin- og daltilstande ikke længere blandes. Imidlertid, da dalstaterne påvirkes af flere faktorer fra materialet, som normalt ikke er ensartet, størrelsen af ​​dalopdeling er svær at kontrollere (især i Si/SiGe heterostruktur). En alternativ tilgang er at direkte kontrollere størrelsen af ​​spin-valley blanding. Det blev rapporteret, at i GaAs kvanteprikker, styrken af ​​spin-kredsløbskobling kunne indstilles af magnetfeltorienteringen i planet, og spinrelaksationstiden forlænges derfor. Alligevel, indtil nu, der er stadig ingen rapport om, hvordan den eksterne magnetfeltretning påvirker styrken af ​​spin-dal-blanding i silicium.

For at løse dette problem, Prof. Li Hai-Ou, Prof. Guo Guoping og deres kolleger fremstillede højkvalitets Si MOS-kvanteprikker og opnåede enkelt-shot-udlæsning af spin-qubits. Baseret på denne pålidelige teknik, de undersøgte effekten af ​​både styrken og orienteringen af ​​det eksterne magnetfelt på spin -afslapningshastigheder. De fandt, når det ydre magnetfelt i planet er orienteret i en bestemt vinkel, spinrelaksations "hot spot" kunne "køles ned" med to størrelsesordener, øge afslapningstiden fra under et millisekund til over hundrede millisekunder. Denne store variation indikerer, at spin-dal-blanding effektivt undertrykkes, og det lægger et fundament for fremtidig forskning om, hvordan man fjerner spin qubits af spin-valley-blanding. Også, forskerne fandt ud af, at denne anisotropi stadig kunne være over to størrelsesordener, når det elektriske felt varieres. Dette tyder på, at anisotropistørrelsen er elektrisk feltuafhængig i et bestemt område, og den kan anvendes på en række qubits, der indeholder forskellige lokale elektriske felter, som skulle tilbyde nye retninger for optimering af udlæsning, kontrol og multi-qubit udvidelse af siliciumbaserede spin-qubits.

Dette værk er højt anset af anonyme dommere, hvem sagde, "Dette arbejde yder et vigtigt bidrag til at optrevle de underliggende fænomener og løse det praktiske problem med at finde de optimale driftsbetingelser for at udnytte spin-frihedsgraderne i siliciumkvanteprikker, " og "Undersøgelsen, der præsenteres i dette manuskript, repræsenterer en af ​​de få omfattende undersøgelser, der er realiseret for spinrelaksationsanisotropi i QD'er og giver potentielle nye måder at undersøge også anisotropiegenskaberne af inter-dalen og intra-dalen spin-blandingsmekanismer, " og "Den fysiske forståelse af samspillet mellem spin, dal og orbital frihedsgrader tages til et næste niveau med dette arbejde. "