理化学研究所在硅量子点寿命研究上获得突破

日本理化学研究所的物理学家开发了一个优化半导体纳米设备的理论模型，证明了精心设计的量子点可以创造出抗电噪声的强大的硅空旋量子比特。这项研究对于理解去噪和设计大规模量子计算机至关重要。

理化学研究所三位物理学家开发的用于优化半导体纳米器件的理论模型将有助于扩大量子硬件的规模。

被困在半导体设备中的电子为未来的量子计算机提供了一个很有前途的构建模块。电子有一种被称为自旋的特性，当被测量时，它以两种状态之一存在，就像传统计算中使用的二进制信息，或比特。但由于其量子性质，自旋可以存在于两种状态的叠加中。这些量子比特，或称量子比特，是量子信息处理的核心。

彼得-斯塔诺和两位同事为优化基于硅量子点的自旋量子比特的设计开发了一个理论模型。

电子或其带正电的对应物，即空穴，可以被隔离在被称为量子点的微小半导体块中。但电子和空穴的自旋只能在有限的时间内保持其量子状态。来自自旋环境的干扰，或噪音，可以改变自旋状态。理化学研究所新兴物质科学中心（CEMS）的彼得-斯塔诺解释说："一旦一个量子状态被分配给一个量子比特，它立即开始消退。"

这种不可避免的衰变，或称去相位，是一个基本的限制，也是与经典信息的一个重大区别，经典信息可以被永久化。了解耗损对于开发缓解耗损的方法至关重要，从而有助于大规模量子计算机的设计。

现在，斯塔诺与CEMS的同事Ognjen Malkoc和Daniel Loss一起，从理论上建立了一个被困在硅量子点中的孔的模型。利用这个模型，他们证明了空穴自旋保持其量子状态的时间长度取决于量子点的大小和形状以及施加在它身上的磁场和电场。

该团队通过超越既定的理论模型，确定了量子点的稳健配置。斯塔诺说："我们的结果表明，通过精心设计一个量子点，并以特定的方式放置电场和磁场，我们可以找到甜蜜点，在这些甜蜜点上，硅空穴-自旋量子比特对电噪声具有明显的鲁棒性。"

这突出了自旋量子比特的主要优势之一--它们在很大程度上不受电噪声的影响，电噪声是每个半导体设备中存在的最强类型的噪声。

但是去噪只是优化量子点用于量子信息处理时的设计考虑之一。读取、写入和操作量子信息的速度和可靠性也很重要。

"所有这些方面都会对量子点设计有类似的敏感性，"斯塔诺说。"我们的目标是利用这里也看到的敏感性，并优化自旋-量子位设计。"