研究人員正在透過開發基於電子和電洞自旋的量子位元來推動量子運算的發展，巴塞爾大學最近的突破性研究表明，利用電洞自旋可以控制量子位元之間的相互作用。這些進展表明，利用現有矽技術開發可擴展的高效量子電腦前景廣闊。

巴塞爾大學在量子位元技術方面取得的進展為可擴展量子運算帶來了希望，它利用電子和電洞自旋實現了精確的量子位元控制和相互作用。

全世界的研究人員都在探索各種量子位元技術，對實用量子電腦的追求正如火如荼地進行著。儘管做出了大量努力，但對於哪種類型的量子位元最能最大限度地發揮量子資訊科學的潛力，人們仍未達成共識。

量子比特是量子電腦的基礎。它們負責處理、傳輸和儲存資料。有效的量子位元必須可靠地儲存和快速處理資訊。這就要求外部系統能夠準確控制大量量子位元之間穩定、迅速的相互作用。

現今最先進的量子計算機只有幾百個量子位元。這就限制了它們執行傳統計算機已經能夠完成的計算，而且往往能更有效率地完成。要推動量子運算的發展，研究人員必須找到一種在單一晶片上容納數百萬個量子位元的方法。

電子和電洞

為了解決數千個量子位元的排列和連接問題，巴塞爾大學和NCCR SPIN 的研究人員依靠一種利用電子或電洞自旋（固有角動量）的量子位元。空穴本質上是半導體中缺少的電子。電洞和電子都具有自旋，可採用兩種狀態之一：向上或向下，類似於經典比特中的0 和1。與電子自旋相比，電洞自旋的優點在於它可以完全由電子控制，無需在晶片上安裝微型磁鐵等額外元件。

兩個相互作用的空穴自旋量子位元。當一個電洞（洋紅色/黃色）從一個位點穿隧到另一個位點時，它的自旋（箭頭）會因所謂的自旋軌道耦合而旋轉，從而導致周圍氣泡所描述的各向異性相互作用。資料來源：NCCR SPIN

2022 年，巴塞爾物理學家證明，現有電子設備中的電洞自旋可以被捕獲並用作量子位元。這些”FinFET”（鰭式場效電晶體）內建於現代智慧型手機中，並透過廣泛的工業流程生產出來。現在，安德烈亞斯-庫爾曼（Andreas Kuhlmann）博士領導的團隊首次成功地在這種裝置中實現了兩個量子位元之間可控的相互作用。

量子電腦需要”量子閘”來執行計算。量子閘”代表操縱量子位元並將它們相互耦合的操作。研究人員在《自然-物理》雜誌上報告說，他們能夠將兩個量子位元耦合起來，並根據其中一個量子位元的自旋狀態，使另一個量子位元的自旋發生受控翻轉–這就是所謂的受控自旋翻轉。

“孔自旋使我們能夠創建既快速又高保真的雙量子位元閘。”庫爾曼說：”現在，這一原理也使我們有可能將更多的量子位元對耦合在一起。”

兩個自旋量子位元的耦合是基於它們之間的交換相互作用，這種相互作用發生在兩個靜電相互作用的無差別粒子之間。令人驚訝的是，電洞的交換能不僅在電學上是可控的，而且具有很強的各向異性。這是自旋軌道耦合的結果，意味著空穴的自旋狀態受其空間運動的影響。

為了在模型中描述這個觀察結果，巴塞爾大學和NCCR SPIN 的實驗物理學家和理論物理學家聯手合作。庫爾曼說：”各向異性使得雙量子位元閘成為可能，而無需在速度和保真度之間進行通常的權衡。基於電洞自旋的量子位元不僅可以利用矽晶片久經考驗的製造工藝，還具有高度的可擴展性，並在實驗中被證明是快速和穩健的。

編譯來源：ScitechDaily