导读

据日本东北大学官网近日报道，一支国际科研团队通过将原子内部的轨道运动和自旋结合起来，将“相干时间”增加至10毫秒，比之前的纪录延长一万倍。

背景

即便对于世界上最强大的经典计算机来说，处理某些极度复杂的计算仍然需要花费极其漫长的时间。然而从理论上说，量子计算机却可以胜任这些非常复杂的计算任务，在短时间内处理它们。原因在于，不同于经典计算机的比特位，量子计算机拥有“量子位”。

IBM 四个超导量子位设备的布局图（图片来源：IBM研究院）

经典二进制计算机存储信息用的是：比特位（0和1）；量子计算机则是通过量子位表示量子信息。简单说，量子位可以是一个双态量子系统（例如：光子偏振态或电子自旋态等）。关键在于，量子位可同时处于“即是0又是1”的状态。

(图片来源：麻省理工学院)

经典计算机中的两个比特位，在某一时刻，仅能存储4个二进制数：00、01、10、11中的一个。然而，量子计算机中的两个量子位可同时存储这四个数，因为每一个量子位可以同时表示两个值。也就是说，如果我们要读出这四个数时，只需要读取一次；经典计算机则需要顺序执行4次。当量子位继续增加时，系统所存储信息量就会呈指数方式增加。

（图片来源：Tony Melov/UNSW）

目前，全球范围内正在开发中的主要量子计算方案至少有五个：自旋轨道量子位、超导量子位、离子阱、钻石空位、拓扑量子位。其中，自旋轨道量子位已被研究了十多年，因为它们很容易操纵和长距离耦合，所以可用于扩展量子计算机中量子位数量。但是，它们表现出非常有限的相干时间，对于量子技术而言太短了。

创新

近期，一支国际科研团队的努力使得量子位可以更长久地保留量子信息。研究人员通过将原子内部的轨道运动和自旋结合起来，将“存留时间”或者说“相干时间”增加至10毫秒，比之前的纪录长一万倍。这种提高信息保留时间的做法对于信息技术开发来说具有重大意义，因为较长的相干时间使得自旋轨道量子位成为构造大型量子计算机理想候选对象。

他们于7月20日将研究成果发表在《自然·材料》（Nature Materials）杂志上。

技术

论文领导作者、澳大利亚新南威尔士大学的研究科学家、日本东北大学助理教授 Takashi Kobayashi 表示：“我们采用带电粒子定义了一种自旋轨道量子位，该粒子看上去像一个被硅晶体中的杂质原子缠住的空穴。空穴的轨道运动和自旋被强烈地耦合和锁定在一起。这让人想起一对啮合的齿轮，其中圆周运动和旋转被锁定在一起。”

（图片来源：东北大学）

量子位以带电粒子的自旋或者轨道运动的形式编码，产生出打造量子计算机所强烈需要的各种优点。为了利用量子位的优势，Kobayashi 及其团队专门使用了硅中的一种奇异的带电粒子“空穴”来定义量子位，因为硅中空穴的轨道运动和自旋耦合在一起。

根据 Kobayashi 的说法，由空穴编码的自旋轨道量子位对于电场特别敏感，从而可以进行更加迅速的控制，并且有益于扩展量子计算机。然而，量子位受到电噪声影响，限制了它们的相干时间。

Kobayashi 表示：“在这项研究中，我们通过像橡皮筋一样拉伸硅晶体，设计了我们的自旋轨道量子位对于电场的敏感度。对于自旋轨道量子位进行这种机械设计，使我们可以显著地延长相干时间，同时保持适度的电敏感度来控制自旋轨道量子位。”

想想手表上的齿轮，它们的单独旋转驱动整个机械装置来保证走时准确。这既不是自旋也不是轨道运动，而是它们结合到一起来转发信息。

下图所示：晶格结构中一个带电粒子的自旋轨道耦合作用。由于自旋轨道耦合作用中非常强烈的吸引力，带电粒子的圆形轨道和自旋像齿轮一样锁定在一起。

（图片来源：Takashi Kobayashi）

Kobayashi 表示：“这些成果为开发新的人工量子系统，以及改善基于自旋的量子技术的功能性和可扩展性，开辟了一条途径。”

【1】Takashi Kobayashi, Joseph Salfi, Cassandra Chua, Joost van der Heijden, Matthew G. House, Dimitrie Culcer, Wayne D. Hutchison, Brett C. Johnson, Jeff C. McCallum, Helge Riemann, Nikolay V. Abrosimov, Peter Becker, Hans-Joachim Pohl, Michelle Y. Simmons, Sven Rogge.Engineering long spin coherence times of spin–orbit qubits in silicon. Nature Materials, 2020; DOI: 10.1038/s41563-020-0743-3

【2】https://www.tohoku.ac.jp/en/press/quibits_hold_information_longer.html

【3】https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/scientists-strengthen-quantum-building-blocks-milestone-critical-scale