近日，奧地利科學技術研究所(IST)領導的歐洲科學團隊成功構建了空穴自旋量子位。在弱磁場環境下，該量子位可高速操作并保持較長時間，將來或有望造出結合半導體和超導體的新型量子計算機。
自旋量子位(又稱量子比特)被認為是構建量子處理器的最有希望的候選者之一。由于易于操作且與硅技術兼容，空穴自旋量子位已成為人們關注的焦點。世界各地的許多實驗室正慢慢接近有用的實現。但仍有巨大的挑戰需要克服。其中的關鍵是構建穩定的量子位，它是量子計算機的基本單元。
現在，奧地利科學技術研究所的卡薩羅斯小組，在意大利、德國和西班牙的團隊成員幫助下，通過一項實驗展示了他們如何控制固體中一個空穴自旋量子位，進而找到一種新的、有前途的量子位系統。相關成果發表在近日的《自然2材料》雜志上。
研究人員是在所謂空穴自旋的幫助下構建的量子位。電子空穴指的是在原子或原子晶格中可能存在的位置上電子的空缺。由于周圍電子可以填補這個空穴，同時在原位置產生一個新的空穴，因此實際上的電子運動看起來就如同是空穴在移動一樣。當這些被視為帶正電的空穴靠近時會發生相互作用，表現出自旋的量子力學性質。
論文第一作者，奧地利科學技術研究所的達尼爾·吉羅維茨解釋說：“我們在 L-NESS (硅外延納米結構和自旋電子學實驗室，位于意大利科莫的大學間中心)的同事將不同的硅和鍺層疊在一起，厚度僅為幾納米。這使我們能夠鎖定中間含鍺層的空穴。在表面層，我們放置了稱為門的細電線，通過施加電壓來控制空穴的運動。帶正電的空穴對電壓起反應，并且可以在鍺層內極其精確地移動。”
通過這種納米尺度的控制，科學家們使兩個空穴彼此靠近，以便從它們相互作用的自旋中產生一個量子位。為了實現這一目的，他們創新了方法，將整個實驗置于磁場中。吉羅維茨和他的同事不僅可以移動空穴，還可以改變它們的屬性。在不到 10 毫特斯拉的磁場強度下他們從兩個相互作用的空穴自旋中創建了量子位。與其它類似的量子位相比，這是一個很弱的磁場，后者一般需要至少強十倍的磁場。
這些空穴自旋量子位很有前景，高達每秒1億次的處理速度和長達150微秒的壽命，使得它們特別適合量子計算。通常研究人員必須在這些特性之間做出妥協，但現在這種新的設計將這兩種優勢結合在一起。吉羅維茨說：“通過使用鍺層，我們可以降低所需的磁場強度。這允許我們的量子位與通常受到強磁場抑制的超導體結合。”這可以使研究人員能夠構建結合半導體和超導體的新型量子計算機。(記者 李山)
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