自旋轨道相互作用：有利于更好操控硅量子位

导读

近日，美国普渡大学、荷兰代尔夫特理工大学、美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究小组发现，硅具有独特的自旋轨道相互作用，从而可以采用电场操控量子位，并且无需任何人工操作。

背景

未来，硅量子计算机芯片有望容纳几百万个量子位（qubits），相对于经典计算机中的比特位（bits）来说，量子位信息处理速度更快，有利于更高速的数据搜索、更完善的网络安全，更高效的材料和化学工艺模拟。

从理论上说，量子计算机凭借量子位，能非常轻松地解决世界上最强大的经典计算机需要经过漫长时间才能解决的复杂计算问题，而且速度要快百万倍。实现量子位的方法有许多种，今天让我们主要关注硅自旋量子位。

（图片来源：Tony Melov/UNSW）

然而，对于硅自旋量子位来说，自旋轨道相互作用（spin-orbit interaction）是一个非常重要的因素。 改善自旋轨道相互作用，将使得量子位变得更易操控，更有利于量子计算。简单说，自旋轨道相互作用，就是电子的自旋运动与电子围绕原子核的轨道运动之间存在的相互作用。

创新

近日，美国普渡大学（Purdue University）、荷兰代尔夫特理工大学、美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究小组发现，硅具有独特的自旋轨道相互作用，从而可以采用电场操控量子位，并且无需任何人工操作。

6月5日，他们的研究成果发表于自然伙伴期刊《量子信息（Quantum Information）》。威斯康星大学麦迪逊分校的团队制造了硅设备，代尔夫特理工大学的团队开展了实验，而普渡大学的团队领导了对于实验观测的理论研究。这项研究得到了美国陆军研究局、美国能源部、美国国家科学基金会和欧洲研究理事会的支持。

（图片来源：普渡大学/Kristin Malavenda）

技术

普渡大学电气与计算机工程学院的研究助理教授 Rajib Rahman 表示：“电子自旋编码的量子位，在硅中生存的时间特别长，但是它们很难通过电场控制。传统意义上讲，对于在这种材料中被认为是小的量子位的设计来说，自旋轨道相互作用非常重要。”

研究人员发现，在硅表面，量子位以所谓的量子点形式存在，电子运动在三个维度都受到了限制，量子轨道相互作用比平时更加强烈。Rahman 的实验室认为，这种自旋轨道相互作用是各向异性的，这意味着它取决于外部磁场的角度，并且受到硅表面的原子级的细节影响。

（图片来源：普渡大学/Rifat Ferdous）

这项研究的论文领导作者、普渡大学电气与计算机工程系研究生研究助理 Rifat Ferdous 表示：“这种各向异性可用于提高或降低自旋轨道相互作用的强度。”然后，自旋轨道相互作用会影响量子位。

Rahman 表示：“如果是强的自旋轨道相互作用，量子位的生命周期将更短，但是你却可以更容易地操控它。弱的自旋轨道相互作用的情况则刚好相反，量子位的生命周期将更长，但是操控起来却更加困难。”

价值

Rahman 实验室未来的工作，将专注于利用自旋轨道相互作用的各向异性，进一步改善量子位的相干性以及对它的控制，从而进一步扩大量子计算机芯片的规模。

关键字

量子位、自旋、硅

参考资料

【1】https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2018/Q2/research-highlights.html

【2】https://www.nature.com/articles/s41534-018-0075-1