記者從中國科大獲悉郭光燦院士團隊與合作者合作，在國際上首次通過改變外加磁場與硅片晶向的相對方向，將自旋量子比特壽命提高兩個數(shù)量級以上。該研究成果日前在國際物理學知名期刊《物理學評論快報》上。文章入選編輯推薦，并被美國物理學會旗下在線網(wǎng)站進行了精選報道。

硅基自旋量子比特以其超長的量子退相干時間，以及與現(xiàn)代半導體工藝技術兼容的高可擴展性，成為量子計算研究的核心方向之一。包括Intel、CEA-Leti、IMEC等國際巨頭都開始參與硅基半導體量子計算研究。然而，硅基量子點中天然存在谷能級，在某些情況下自旋和谷能級會發(fā)生相互混合(自旋-谷混合)，在器件噪聲的影響下會大幅降低自旋量子比特的弛豫時間和退相干時間，從而限制自旋量子比特的操控保真度。在特定磁場大小下，自旋-谷混合效應會迅速降低自旋量子比特弛豫時間到1毫秒以下甚至到1微秒，形成自旋比特弛豫速率的“熱點”。在比特數(shù)目增加后，這一現(xiàn)象會使比特陣列中出現(xiàn)“壞點”的幾率大大增加，阻礙了硅基自旋量子比特的進一步擴展。

科研人員通過制備高質(zhì)量的SiMOS量子點，實現(xiàn)了自旋量子比特的單發(fā)讀出，并以此測量技術為基礎，研究了外加磁場強度和方向?qū)ψ孕孔颖忍爻谠ニ俾实挠绊憽Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，當施加的面內(nèi)磁場到達某一特定角度時，“熱點”附近的自旋弛豫速率可以被迅速“冷卻”，降低100倍以上，同時自旋弛豫時間從不到1毫秒增加到100毫秒以上。同時，“熱點”附近自旋弛豫時間的各向異性在增加電場強度后，仍可以保持100倍的強度，這一特性為優(yōu)化硅基自旋量子比特的讀出、操控以及多比特擴展提供了新的方向。

審稿人的高度評價：“這個工作對于闡明物理機制和解決尋找操控硅量子點中自旋自由度的最優(yōu)工作點這種實際問題做出了重要貢獻……使得對自旋、谷和軌道等自由度的相互作用的物理理解被提高到了一個新的高度”。