弱磁场下空穴自旋量子位构建成功：每秒运算1亿次，寿命长达150微秒

在量子力学的世界里，研究人员甚至可以让空穴服从他们的命令。来自奥地利科学技术研究所(IST) Katsaros小组的科学家和一个国际研究团队现在已经创建了一个新的装置，来控制固体材料中电子的缺失，并成功构建了空穴自旋量子位。

他们想利用这些空穴，打造出结合半导体和超导体的新型量子计算机。

量子计算机有望创造新材料，解决棘手的数学问题，这是许多物理学家的梦想。现在，它们正在世界各地的许多实验室中慢慢接近可行的实现。但仍有巨大的挑战需要攻克。一个核心问题是构建稳定的量子比特（qubit），并且使它们之间相互连接成网。

在一项发表在《自然·材料》杂志上的研究中，由奥地利IST Katsaros小组的Daniel Jirovec领导，与意大利科莫L-NESS大学间中心的研究人员密切合作，科学家们现在已经创造了一个新的、有前途的可靠的量子比特候选系统。

研究人员利用空穴的自旋创造了量子比特。每个空穴意味着固体材料中电子的缺失。令人惊奇的是，一个丢失的带负电荷的粒子，在物理上可以当作带正电荷的粒子来处理。当邻近的电子填满空穴时，它甚至可以在固体中移动。因此，这个被描述为带正电荷的粒子的空穴，实际上是向前移动的。

这些空穴甚至具有自旋的量子力学性质，如果它们靠近彼此，就可以相互作用。“我们在L-NESS的同事将几纳米厚的硅和锗的不同混合物层叠在一起。这使得我们可以将这些洞限制在中间的富锗层，”Jirovec解释说。“在顶部，我们添加了微小的电线，即所谓的栅极，通过对它们施加电压来控制孔洞的运动。这些带正电的空穴会对电压产生反应，并能在其层内非常精确地移动。”

利用这种纳米尺度的控制，科学家们移动两个靠近彼此的空穴，利用它们相互作用的自旋创造一个量子位元。但是为了保证这个过程成功，他们需要在整个装置上施加一个磁场。

于是，他们的创新方法发挥了作用。在他们的设置中，Jirovec和他的同事们不仅可以移动洞，还可以改变它们的属性。通过设计不同的空穴性质，他们利用不到10毫微米的磁场强度，从两个相互作用的空穴自旋中创造出了量子位元。相比其他类似的量子位设置，这是一个较弱的磁场——以往通常要用至少十倍强的磁场。

除了新的技术可能性，这些空穴自旋量子位看起来很有前途，主要是基于它们的处理速度。结果显示，在弱磁场环境下，该量子位可高速操作并保持较长时间：它们的运算速度高达每秒1亿次，寿命长达150微秒，似乎特别适合量子计算。通常，在这些属性之间会有一个权衡和互损，但是这个新设计将这两种优点结合在了一起。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：https://ist.ac.at/en/news/quantum-computing-with-holes/