羅切斯特大學的科學家們開發了一種方法，克服了電子自旋共振的限制。量子科學有可能通過創造更有效的計算機、通信系統和傳感設備來改變現代技術。儘管有這些令人興奮的可能性，但在實現這些目標方面仍然存在挑戰，特別是當涉及到精確操縱量子系統的信息時。

羅切斯特大學的一個研究小組在物理學副教授約翰-尼科爾的領導下，在《自然-物理學》雜誌上發表了一篇論文，概述了操縱矽量子點–微小的、納米級的半導體，具有顯著特性的電子自旋的新方法，作為操縱量子系統信息的一種方式。

尼科爾說：”這項研究的結果為基於半導體量子點中的電子自旋的量子比特的相干控制提供了一個有希望的新機制，這可能為開發一個實用的矽基量子計算機鋪平道路。”

羅切斯特大學的研究人員通過控制矽量子點中電子的自旋，開發了一種在量子系統中操縱信息的新方法。矽中的電子在其自旋（向上和向下箭頭）和谷態（藍色和紅色軌道）之間經歷了一種被稱為自旋-谷態耦合的現象。當研究人員對矽中的電子施加電壓（藍色光芒）時，他們利用自旋-谷耦合效應，可以操縱自旋和谷態，控制電子自旋。資料來源：羅切斯特大學插圖/Michael Osadciw

使用量子點作為量子比特

一台普通計算機由數十億個晶體管組成，稱為比特。另一方面，量子計算機是基於量子比特，也被稱為量子比特。與普通的晶體管不同，它可以是”0″（關閉）或”1″（打開），而量子比特受量子力學規律的支配，可以同時是”0″和”1″。

科學家們早就考慮使用矽量子點作為量子比特；控制量子點中電子的自旋將提供一種操縱量子信息傳輸的方法。量子點中的每個電子都有內在的磁性，就像一個小小的條形磁鐵。科學家把這稱為”電子自旋”–與每個電子相關的磁矩–因為每個電子是一個帶負電的粒子，其行為就像它在快速旋轉一樣，而正是這種有效的運動引起了磁性。

電子自旋是在量子計算中傳輸、存儲和處理信息的一個有希望的候選者，因為它提供了長的相干時間和高的門控保真度，並且與先進的半導體製造技術兼容。量子比特的相干時間是指量子信息因與噪聲環境相互作用而丟失之前的時間；長相干時間意味著執行計算的時間更長。高的門控保真度意味著研究人員要進行的量子操作會完全按照他們的要求進行。

然而，使用矽量子點作為量子比特的一個主要挑戰是控制電子自旋。

控制電子自旋

控制電子自旋的標準方法是電子自旋共振（ESR），它涉及到對量子比特施加振蕩的射頻磁場。然而，這種方法有幾個局限性，包括需要在低溫環境下產生和精確控制振盪磁場，而大多數電子自旋量子比特是在低溫環境下工作的。通常情況下，為了產生振盪磁場，研究人員通過電線發送電流，這就會產生熱量，從而乾擾低溫環境。

尼科爾和他的同事概述了一種控制矽量子點中電子自旋的新方法，該方法不依賴於振盪電磁場。該方法基於一種被稱為”自旋-穀粒耦合”的現象，當矽量子點中的電子在不同的自旋和穀粒狀態之間轉換時，就會發生這種現象。電子的自旋態指的是它的磁性，而谷態指的是與電子的空間輪廓有關的另一種屬性。

研究人員應用一個電壓脈衝來利用自旋-谷耦合效應，操縱自旋和谷態，控制電子自旋。

“這種通過自旋-谷耦合進行相干控制的方法，可以實現對量子比特的普遍控制，並且可以在不需要振盪磁場的情況下進行，而振盪磁場是ESR的一個限制，”尼科爾說。”這使我們有了一條新的途徑，可以使用矽量子點來操縱量子計算機中的信息。”