導讀
近日，美國普渡大學、荷蘭代爾夫特理工大學、美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究小組發現，硅具有獨特的自旋軌道相互作用，從而可以採用電場操控量子位，並且無需任何人工操作。
背景
未來，硅量子計算機芯片有望容納幾百萬個量子位（qubits），相對於經典計算機中的比特位（bits）來說，量子位信息處理速度更快，有利於更高速的數據搜索、更完善的網絡安全，更高效的材料和化學工藝仿真。
從理論上說，量子計算機憑藉量子位，能非常輕鬆地解決世界上最強大的經典計算機需要經過漫長時間才能解決的複雜計算問題，而且速度要快百萬倍。實現量子位的方法有許多種，今天讓我們主要關注硅自旋量子位。
（圖片來源：Tony Melov/UNSW）
然而，對於硅自旋量子位來說，自旋軌道相互作用（spin-orbit interaction）是一個非常重要的因素。 改善自旋軌道相互作用，將使得量子位變得更易操控，更有利於量子計算。簡單說，自旋軌道相互作用，就是電子的自旋運動與電子圍繞原子核的軌道運動之間存在的相互作用。
創新
近日，美國普渡大學（Purdue University）、荷蘭代爾夫特理工大學、美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究小組發現，硅具有獨特的自旋軌道相互作用，從而可以採用電場操控量子位，並且無需任何人工操作。
6月5日，他們的研究成果發表於自然夥伴期刊《量子信息（Quantum Information）》。威斯康星大學麥迪遜分校的團隊製造了硅設備，代爾夫特理工大學的團隊開展了實驗，而普渡大學的團隊領導了對於實驗觀測的理論研究。這項研究得到了美國陸軍研究局、美國能源部、美國國家科學基金會和歐洲研究理事會的支持。
（圖片來源：普渡大學/Kristin Malavenda）
技術
普渡大學電氣與計算機工程學院的研究助理教授 Rajib Rahman 表示：“電子自旋編碼的量子位，在硅中生存的時間特別長，但是它們很難通過電場控制。傳統意義上講，對於在這種材料中被認為是小的量子位的設計來說，自旋軌道相互作用非常重要。”
研究人員發現，在硅表面，量子位以所謂的量子點形式存在，電子運動在三個維度都受到了限制，量子軌道相互作用比平時更加強烈。Rahman 的實驗室認為，這種自旋軌道相互作用是各向異性的，這意味著它取決於外部磁場的角度，並且受到硅表面的原子級的細節影響。
（圖片來源：普渡大學/Rifat Ferdous）
這項研究的論文領導作者、普渡大學電氣與計算機工程系研究生研究助理 Rifat Ferdous 表示：“這種各向異性可用於提高或降低自旋軌道相互作用的強度。”然後，自旋軌道相互作用會影響量子位。
Rahman 表示：“如果是強的自旋軌道相互作用，量子位的生命週期將更短，但是你卻可以更容易地操控它。弱的自旋軌道相互作用的情況則剛好相反，量子位的生命週期將更長，但是操控起來卻更加困難。”
價值
Rahman 實驗室未來的工作，將專注於利用自旋軌道相互作用的各向異性，進一步改善量子位的相干性以及對它的控制，從而進一步擴大量子計算機芯片的規模。
關鍵字
量子位、自旋、硅
【1】https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2018/Q2/research-highlights.html
【2】https://www.nature.com/articles/s41534-018-0075-1
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