控制电子自旋的新方法为高效量子计算机铺平了道路

Lindsey Valich | Senior Communications Officer, Science and Engineering

January 27, 2023

澳门威尼斯人网上赌场的澳门威尼斯人网上赌场人员开发了一种通过控制硅量子点中电子的自旋来操纵量子系统中信息的新方法. 硅中的电子在它们的自旋(向上和向下箭头)和谷态(蓝色和红色轨道)之间经历一种称为自旋-谷耦合的现象。. 当澳门威尼斯人网上赌场人员对硅中的电子施加电压(蓝光)时, 他们利用自旋谷耦合效应，可以操纵自旋和谷态, controlling the electron spin. (University of Rochester illustration / Michael Osadciw)

这种方法是由澳门威尼斯人网上赌场的科学家开发的，它克服了电子自旋共振的局限性.

量子科学有可能用更高效的计算机彻底改变现代技术, communication, and sensing devices. Challenges remain in achieving these technological goals, however, 包括如何精确地操纵量子系统中的信息.

In a paper published in Nature Physics, a group of researchers from the University of Rochester, including John Nichol, an associate professor of physics, 概述了一种控制硅量子点中电子自旋的新方法, 具有非凡特性的纳米级半导体——作为在量子系统中操纵信息的一种方式.

“澳门威尼斯人网上赌场结果为基于半导体量子点中的电子自旋相干控制量子比特提供了一种有希望的新机制, 这将为开发实用的硅基量子计算机铺平道路,” Nichol says.

Using quantum dots as qubits

一台普通的计算机由数十亿个被称为“比特”的晶体管组成. 另一方面，量子计算机是基于量子比特的，也被称为量子位. Unlike ordinary transistors, which can be either “0” (off) or “1” (on), 量子位受量子力学定律支配，可以同时是“0”和“1”.

Scientists have long considered using silicon quantum dots as qubits; controlling the spin of electrons in quantum dots would offer a way to manipulate the transfer of quantum information. 量子点中的每个电子都有内在的磁性，就像一个微小的条形磁铁. 科学家称这种现象为“电子自旋”，即与每个电子相关的磁矩，因为每个电子都是带负电荷的粒子，其行为就像在快速旋转一样, and it is this effective motion that gives rise to the magnetism.

Electron spin is a promising candidate for transferring, storing, 在量子计算中处理信息，因为它提供了长相干时间和高门保真度，并与先进的半导体制造技术兼容. The coherence time of a qubit is the time before the quantum information is lost due to interactions with a noisy environment; long coherence means a longer time to perform computations. 高门保真度意味着澳门威尼斯人网上赌场人员试图执行的量子操作完全按照他们的意愿执行.

然而，使用硅量子点作为量子位的一个主要挑战是控制电子自旋.

Controlling electron spin

控制电子自旋的标准方法是电子自旋共振(ESR)。, 其中包括对量子比特施加振荡射频磁场. However, this method has several limitations, 包括需要在低温环境中产生和精确控制振荡磁场, where most electron spin qubits are operated. Typically, to generate oscillating magnetic fields, researchers send a current through a wire, and this generates heat, which can disturb cryogenic environments.

尼科尔和他的同事们提出了一种新的方法来控制硅量子点中的电子自旋，这种方法不依赖于振荡电磁场. The method is based on a phenomenon called “spin-valley coupling,当硅量子点中的电子在不同的自旋和谷态之间转变时，就会发生这种情况. 而电子的自旋状态指的是它的磁性, 谷态是指与电子的空间轮廓有关的另一种性质.

澳门威尼斯人网上赌场人员利用电压脉冲来控制自旋谷耦合效应并操纵自旋和谷态, controlling the electron spin.

“This method of coherent control, by spin-valley coupling, allows for universal control over qubits, 并且可以在不需要振荡磁场的情况下进行, which is a limitation of ESR,” Nichol says. “这为我们提供了一条利用硅量子点在量子计算机中操纵信息的新途径.”

Researchers continue to confront hurdles in quantum computing