Al ajustar la dirección del campo magnético externo con respecto al eje cristalográfico de la oblea de silicio, Se informó una mejora de la vida útil del espín (tiempo de relajación) en más de dos órdenes de magnitud en los puntos cuánticos de silicio. Este avance fue llevado a cabo por un equipo dirigido por el académico Guo Guangcan del Laboratorio Clave de Información Cuántica de CAS, USTC, en el que el profesor Guo Guoping, El profesor Li Hai-Ou con sus colegas y Origin Quantum Computing Company Limited. Este trabajo fue publicado en Cartas de revisión física el 23 de junio 2020.

Los qubits de espín basados ​​en puntos cuánticos de silicio han sido un tema central en el desarrollo de la computación cuántica a gran escala debido a su largo tiempo de coherencia y la compatibilidad con la tecnología de semiconductores moderna. Recientemente, el tiempo de relajación y el tiempo de desfase de los qubits de espín desarrollados en Si MOS (metal-óxido-semiconductor) y heteroestructura Si / SiGe han superado cientos de milisegundos y cientos de microsegundos, respectivamente, resultando en una fidelidad de control de un solo qubit superior al 99,9% y una fidelidad de puerta de dos qubit superior al 98%. Con el éxito en la universidad, laboratorios y empresas de la industria comienzan a involucrarse en este campo, como Intel, CEA-Leti, y IMEC. Sin embargo, la existencia de estados de valle (un estado asociado con la caída en una banda electrónica particular) en los puntos cuánticos de silicio podría reducir el tiempo de relajación de espín y el tiempo de desfase a través de la mezcla de valle de espín y limitar la fidelidad de control de los qubits. Se informó que en un cierto campo magnético, La mezcla de espín-valle podría disminuir el tiempo de relajación del espín a menos de un milisegundo (incluso un microsegundo en determinadas condiciones). llamado relajación de giro "punto caliente". Cuando aumenta el número de qubits, este fenómeno provocará un gran número de qubits "malos" e impedirá una mayor extensión a más qubits.

Un método tradicional para suprimir los efectos adversos de la mezcla de espín-valle es aumentar la magnitud de la división del valle y empujar el qubit tan lejos que los estados de espín y valle ya no se mezclan. Sin embargo, Dado que los estados de los valles se ven afectados por múltiples factores del material, que generalmente no es uniforme, la magnitud de la división del valle es difícil de controlar (especialmente en heteroestructura Si / SiGe). Un enfoque alternativo es controlar directamente la magnitud de la mezcla de espín-valle. Se informó que en los puntos cuánticos de GaAs, la fuerza del acoplamiento espín-órbita podría ajustarse mediante la orientación del campo magnético en el plano y, por lo tanto, se prolonga el tiempo de relajación del espín. Sin embargo, hasta aquí, todavía no hay ningún informe sobre cómo la dirección del campo magnético externo afecta la fuerza de la mezcla de valle de espín en el silicio.

Para resolver este problema, Prof. Li Hai-Ou, El profesor Guo Guoping y sus colegas fabricaron puntos cuánticos Si MOS de alta calidad y lograron una lectura de un solo disparo de qubits de espín. Basado en esta técnica confiable, investigaron el efecto tanto de la fuerza como de la orientación del campo magnético externo sobre las tasas de relajación del espín. Descubrieron que cuando el campo magnético externo en el plano está orientado en un cierto ángulo, el "punto caliente" de relajación de giro podría "enfriarse" en dos órdenes de magnitud, aumentando el tiempo de relajación de menos de un milisegundo a más de cien milisegundos. Esta gran variación indica que la mezcla de espín-valle se suprime eficazmente, y sienta las bases para futuras investigaciones sobre cómo eliminar los qubits de espín de la mezcla de valle de espín. También, los investigadores encontraron que esta anisotropía aún podría ser superior a dos órdenes de magnitud cuando se varía el campo eléctrico. Esto sugiere que la magnitud de la anisotropía es independiente del campo eléctrico en un cierto rango y podría aplicarse a una matriz de qubits que contienen diferentes campos eléctricos locales. que debería ofrecer nuevas direcciones para optimizar la lectura, control y extensión multi-qubit de qubits de espín basados ​​en silicio.

Este trabajo es muy apreciado por árbitros anónimos, quien dijo, "Este trabajo hace una contribución importante para desentrañar los fenómenos subyacentes y resolver el problema práctico de encontrar las condiciones óptimas de funcionamiento para explotar los grados de libertad de espín en los puntos cuánticos de silicio". "y" El estudio presentado en este manuscrito representa uno de los pocos estudios extensos realizados para la anisotropía de relajación de espín en QD y proporciona nuevas formas potenciales de probar también las propiedades de anisotropía de los mecanismos de mezcla de espín entre valles e intravalles, "y" La comprensión física de la interacción del giro, los grados de libertad de los valles y orbitales se llevan al siguiente nivel con este trabajo ".