半导体量子比特核噪声的控制

当涉及到量子计算时，超导量子位元正处于这一领域的领先地位。但是还有其他的方法来表示量子比特。电子的自旋可以说是比超导电路简单得多的物体：简单地说，自旋向上和自旋向下代表两个量子比特状态，即0和1。然而，对于自旋量子比特，存储的量子信息不会永远存在。电子与环境相互作用，因此随着时间的推移失去了自旋极化。

图像说明：自旋锁定原理：周期性激光脉冲串将自旋进动频率锁定为激光重复率的整数倍n。在这个例子中，自旋在两个随后的激光脉冲之间精确地进行n=6或n=7次。

电子自旋通常被捕获在由100000多个原子组成的半导体“孤岛”（所谓的量子点）上。根据所用材料的不同，原子核本身可能有一个自旋。每一个核自旋都会轻微地改变电子自旋的能量。这本身就不是问题。然而，这成为了一个问题，因为核自转随时间随机改变方向，随着时间的推移，量子比特的能量开始波动。

为了控制这种波动并保持核自旋极化常数，人们开发了不同的技术。一个非常有趣的可能性在于用周期性激光脉冲照亮半导体岛。研究发现，这种光照使量子比特能量达到一个定义明确的值，这与激光重复率直接相关。在含有单个电子的量子点中观察到这种量子位元能量的锁定，但这种能量锁定激光重复率的确切原因仍不清楚。

图片说明：这张图片中的颜色编码空间中沿固定方向的自旋极化，由IBM团队在半导体量子点上测量。自旋的振动频率可以随磁场的变化而变化。样品用周期性激光脉冲照射。时间零点是激光脉冲到达光点的时刻。无论外加磁场如何，自旋振荡都被锁定在激光重复率上。

与苏黎世ETH的合作者一起，我们的IBM研究团队——苏黎世研究了这一效应，并发现它比以前想象的更为普遍：我们还可以在包含许多电子自旋的岛屿上观察核聚焦，这些岛屿是用半导体工业的标准技术制造的。我们发现光斯塔克效应是核聚焦的原因：每一个激光脉冲都会产生一个短暂而微小的磁场，这个磁场会缓慢地将核旋转变成一个明确的极化。当我们改变激光脉冲的能量时，这就变得很清楚了。在能量较低的情况下，微磁场的方向发生反转，电子自旋随激光重复率而反锁定，这一点可以用模型很好地解释。

利用这种技术，自旋量子比特的寿命可以大大延长，超过波动核自旋给出的极限。正如我们所展示的，核聚焦也可以在半导体材料中使用光刻和蚀刻技术雕刻出量子点。利用这种方法，可以制作出形状、大小和位置可控的点，这对于将这种技术应用于可扩展的量子比特自旋是至关重要的。