日本理化學(xué)研究所的物理學(xué)家開發(fā)了一個(gè)優(yōu)化半導(dǎo)體納米設(shè)備的理論模型，證明了精心設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)可以創(chuàng)造出抗電噪聲的強(qiáng)大的硅空旋量子比特。這項(xiàng)研究對于理解去噪和設(shè)計(jì)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)至關(guān)重要。

理化學(xué)研究所三位物理學(xué)家開發(fā)的用于優(yōu)化半導(dǎo)體納米器件的理論模型將有助于擴(kuò)大量子硬件的規(guī)模。

被困在半導(dǎo)體設(shè)備中的電子為未來的量子計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)很有前途的構(gòu)建模塊。電子有一種被稱為自旋的特性，當(dāng)被測量時(shí)，它以兩種狀態(tài)之一存在，就像傳統(tǒng)計(jì)算中使用的二進(jìn)制信息，或比特。但由于其量子性質(zhì)，自旋可以存在于兩種狀態(tài)的疊加中。這些量子比特，或稱量子比特，是量子信息處理的核心。

彼得-斯塔諾和兩位同事為優(yōu)化基于硅量子點(diǎn)的自旋量子比特的設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)理論模型。

電子或其帶正電的對應(yīng)物，即空穴，可以被隔離在被稱為量子點(diǎn)的微小半導(dǎo)體塊中。但電子和空穴的自旋只能在有限的時(shí)間內(nèi)保持其量子狀態(tài)。來自自旋環(huán)境的干擾，或噪音，可以改變自旋狀態(tài)。理化學(xué)研究所新興物質(zhì)科學(xué)中心(CEMS)的彼得-斯塔諾解釋說："一旦一個(gè)量子狀態(tài)被分配給一個(gè)量子比特，它立即開始消退。"

這種不可避免的衰變，或稱去相位，是一個(gè)基本的限制，也是與經(jīng)典信息的一個(gè)重大區(qū)別，經(jīng)典信息可以被永久化。了解耗損對于開發(fā)緩解耗損的方法至關(guān)重要，從而有助于大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，斯塔諾與CEMS的同事Ognjen Malkoc和Daniel Loss一起，從理論上建立了一個(gè)被困在硅量子點(diǎn)中的孔的模型。利用這個(gè)模型，他們證明了空穴自旋保持其量子狀態(tài)的時(shí)間長度取決于量子點(diǎn)的大小和形狀以及施加在它身上的磁場和電場。

該團(tuán)隊(duì)通過超越既定的理論模型，確定了量子點(diǎn)的穩(wěn)健配置。斯塔諾說："我們的結(jié)果表明，通過精心設(shè)計(jì)一個(gè)量子點(diǎn)，并以特定的方式放置電場和磁場，我們可以找到甜蜜點(diǎn)，在這些甜蜜點(diǎn)上，硅空穴-自旋量子比特對電噪聲具有明顯的魯棒性。"

這突出了自旋量子比特的主要優(yōu)勢之一--它們在很大程度上不受電噪聲的影響，電噪聲是每個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備中存在的最強(qiáng)類型的噪聲。

但是去噪只是優(yōu)化量子點(diǎn)用于量子信息處理時(shí)的設(shè)計(jì)考慮之一。讀取、寫入和操作量子信息的速度和可靠性也很重要。

"所有這些方面都會對量子點(diǎn)設(shè)計(jì)有類似的敏感性，"斯塔諾說。"我們的目標(biāo)是利用這里也看到的敏感性，并優(yōu)化自旋-量子位設(shè)計(jì)。"