Электроны в кремнии испытывают связь между своим спином (стрелки вверх и вниз) и состояниями долины (синие и красные орбитали). В присутствии постоянного напряжения (синее свечение) электрон может совершать когерентные спин-долинные колебания. 
Изображение предоставлено Майком Осадцивом.

В последние годы многие физики и компьютерщики работают над развитием технологий квантовых вычислений. Эти технологии основаны на кубитах, основных единицах квантовой информации.

В отличие от классических битов, которые имеют значение 0 или 1, кубиты могут существовать в состояниях суперпозиции, поэтому они могут иметь значение 0 и 1 одновременно. Кубиты могут состоять из различных физических систем, включая электроны , ядерные спины (то есть спиновое состояние ядра), фотоны и сверхпроводящие цепи.

Спины электронов, заключенные в кремниевых квантовых точках (т. е. в крошечных структурах на основе кремния), продемонстрировали особые перспективы в качестве кубитов, в частности, благодаря их длительному времени когерентности, высокой точности затвора и совместимости с существующими методами производства полупроводников. Однако когерентное управление несколькими состояниями спина электрона может быть сложной задачей.

Исследователи из Университета Рочестера недавно представили новую стратегию когерентного управления либо одним, либо несколькими электронными спинами в кремниевых квантовых точках. Этот метод, представленный в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, может открыть новые возможности для разработки надежных и высокопроизводительных квантовых компьютеров.

«Как и во многих экспериментах в науке, мы изначально исследовали несвязанную тему, когда начали замечать всевозможные когерентные колебания, возникающие в наших данных». Об этом сообщил Phys.org Джон Никол, один из исследователей, проводивших исследование. «Нам потребовалось некоторое время, чтобы прийти к теоретическому объяснению, но как только мы это сделали, все встало на свои места. Связь спин-долина исследовалась ранее много раз, но никогда напрямую не опосредовала когерентные переходы между различными спиновыми состояниями».

Стратегия управления электронными спинами в кремнии, предложенная Николем и его коллегами, использует связь спин-долина, взаимодействие между спином электрона и состояниями долины. Электроны в кремниевых квантовых точках имеют как спиновые, так и долинные квантовые числа. Их спиновое состояние может быть «вверх» или «вниз», а их состояние впадины может быть + или -.

«При определенном магнитном поле энергия верхнего состояния, например, может быть почти равна энергии нижнего состояния», — пояснил Николь. «Поскольку разница энергий между + и — состояниями зависит от электрических полей, мы можем использовать импульс напряжения, чтобы затем привести вверх, + точно в резонанс с вниз, —. Когда это происходит, электрон, первоначально подготовленный в состоянии вверх, + будет когерентно колебаться вниз, - и вперед и назад. Это осцилляции спиновой долины ».

До сих пор стандартный метод управления электронными спинами в кремниевых квантовых точках подразумевал использование изменяющихся во времени магнитных полей. Николь и его коллеги показали, что их стратегия позволяет когерентно манипулировать электронными спинами без необходимости использования осциллирующих электромагнитных полей.

«Осциллирующие магнитные поля может быть особенно трудно генерировать при криогенных температурах, а спин-долинная связь устраняет эту необходимость», — сказал Николь. «Еще одним достижением является то, что долинная степень свободы в кремнии часто рассматривается как «ошибка», а не как особенность кремниевых кубитов, но наша работа показывает, что это может быть очень полезной функцией».

Недавняя работа этой группы исследователей подчеркивает перспективность использования спин-долинной связи для достижения когерентного управления кубитами на основе спинов электронов , заключенных в кремниевых квантовых точках. В своих следующих статьях они надеются лучше понять, какие характеристики роста, изготовления и настройки квантовых точек могут влиять на спин-долинную связь, поскольку это может дать дополнительную информацию для создания технологий квантовых вычислений на основе электронов.

«Мы также хотели бы изучить, как можно реализовать многокубитные вентили в этой структуре», — добавил Николь. «Одна из проблем заключается в том, что магнитное поле необходимо настраивать отдельно для каждого кубита, и мы ищем реалистичные способы реализовать это».