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近日，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所（IST）領(lǐng)導的歐洲科學(xué)團隊成功構建了空穴自旋量子位。在弱磁場(chǎng)環(huán)境下，該量子位可高速操作并保持較長(cháng)時(shí)間，將來(lái)有望造出結合半導體和超導體的新型量子計算機。
自旋量子位被認為是構建量子處理器的最有希望的候選者之一，但仍需克服巨大的挑戰。其中的關(guān)鍵是構建穩定的量子位，它是量子計算機的基本單元。
最近，該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(guò)一項實(shí)驗展示了他們如何控制固體中一個(gè)空穴自旋量子位，進(jìn)而找到一種新的、有前途的量子位系統。相關(guān)成果發(fā)表在近日的《自然·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，電子在可能存在的位置上出現空缺。由于周?chē)娮涌梢蕴钛a這個(gè)空穴，同時(shí)在原位置產(chǎn)生一個(gè)新的空穴，所以看起來(lái)就像是空穴在移動(dòng)一樣。
論文第一作者、該研究所的達尼爾·吉羅維茨解釋說(shuō)，我們意大利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(chēng)為門(mén)的細電線(xiàn)，通過(guò)施加電壓來(lái)控制空穴的運動(dòng)。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(dòng)。
通過(guò)這種納米尺度的控制，研究人員使兩個(gè)空穴彼此靠近，以便從它們相互作用的自旋中產(chǎn)生一個(gè)量子位。為此他們創(chuàng )新了方法，將整個(gè)實(shí)驗置于磁場(chǎng)中。吉羅維茨和同事不僅可以移動(dòng)空穴，還可以改變它們的屬性。在不到10毫特斯拉的磁場(chǎng)強度下，從兩個(gè)相互作用的空穴自旋中創(chuàng )建了量子位。與其他類(lèi)似的量子位相比，這是一個(gè)很弱的磁場(chǎng)，后者一般需要至少強十倍的磁場(chǎng)。
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(cháng)達150微秒的壽命，使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(xié)，但現在這種新的設計將這兩種優(yōu)勢結合在一起。吉羅維茨說(shuō)：“通過(guò)使用鍺層，可以降低所需的磁場(chǎng)強度，允許我們將量子位與通常受到強磁場(chǎng)抑制的超導體結合?！边@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。
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