研究人员利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用

巴塞尔大学在量子比特技术方面取得的进展为可扩展量子计算带来了希望，它利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用。

全世界的研究人员都在探索各种量子比特技术，对实用量子计算机的追求正如火如荼地进行着。尽管做出了大量努力，但对于哪种类型的量子比特最能最大限度地发挥量子信息科学的潜力，人们仍未达成共识。

量子比特是量子计算机的基础。它们负责处理、传输和存储数据。有效的量子位必须可靠地存储和快速处理信息。这就要求外部系统能够准确控制大量量子比特之间稳定、迅速的相互作用。

当今最先进的量子计算机只有几百个量子比特。这就限制了它们执行传统计算机已经能够完成的计算，而且往往能更高效地完成。要想推动量子计算的发展，研究人员必须找到一种在单个芯片上容纳数百万量子比特的方法。

电子和空穴

为了解决数千个量子比特的排列和连接问题，巴塞尔大学和 NCCR SPIN 的研究人员依靠一种利用电子或空穴自旋（固有角动量）的量子比特。空穴本质上是半导体中缺失的电子。空穴和电子都具有自旋，可采用两种状态之一：向上或向下，类似于经典比特中的 0 和 1。与电子自旋相比，空穴自旋的优势在于它可以完全由电子控制，无需在芯片上安装微型磁铁等额外元件。

两个相互作用的空穴自旋量子比特。当一个空穴（洋红色/黄色）从一个位点隧穿到另一个位点时，它的自旋（箭头）会因所谓的自旋轨道耦合而旋转，从而导致周围气泡所描述的各向异性相互作用。资料来源：NCCR SPIN

2022 年，巴塞尔物理学家证明，现有电子设备中的空穴自旋可以被捕获并用作量子比特。这些"FinFET"（鳍式场效应晶体管）内置于现代智能手机中，并通过广泛的工业流程生产出来。现在，安德烈亚斯-库尔曼（Andreas Kuhlmann）博士领导的团队首次成功地在这种装置中实现了两个量子比特之间可控的相互作用。

量子计算机需要"量子门"来执行计算。量子门"代表着操纵量子比特并将它们相互耦合的操作。研究人员在《自然-物理》杂志上报告说，他们能够将两个量子比特耦合起来，并根据其中一个量子比特的自旋状态，使另一个量子比特的自旋发生受控翻转--这就是所谓的受控自旋翻转。

"孔自旋使我们能够创建既快速又高保真的双量子比特门。"库尔曼说："现在，这一原理还使我们有可能将更多的量子位对耦合在一起。"

两个自旋量子比特的耦合基于它们之间的交换相互作用，这种相互作用发生在两个静电相互作用的无差别粒子之间。令人惊奇的是，空穴的交换能不仅在电学上是可控的，而且具有很强的各向异性。这是自旋轨道耦合的结果，意味着空穴的自旋状态受其空间运动的影响。

为了在模型中描述这一观察结果，巴塞尔大学和 NCCR SPIN 的实验物理学家和理论物理学家联手合作。库尔曼说："各向异性使得双量子比特门成为可能，而无需在速度和保真度之间进行通常的权衡。基于空穴自旋的量子比特不仅可以利用硅芯片久经考验的制造工艺，还具有高度的可扩展性，并在实验中被证明是快速和稳健的。这项研究强调，这种方法在开发大规模量子计算机的竞赛中大有可为。"

编译来源：ScitechDaily