物理学家制造了高温硅自旋量子比特

　　光子盒研究院出品
　　量子计算的最大挑战是实现可扩展性。以前曾面临过这种问题的经典计算，目前依赖于容纳数十亿鳍式场效应晶体管(FinFET)的硅芯片。这些器件也可用于量子应用：在低温下，被困在栅极下的电子或空穴可以作为自旋量子比特。这种方法可能使量子硬件及其经典控制电子器件集成在同一个芯片上。然而，这需要在1K(-272.15摄氏度)左右的温度下进行量子比特操作，其中冷却克服了散热。
　　因此，控制每个量子比特需要额外的测量线来连接室温下的控制电子设备和低温恒温器中的量子比特。这些测量线的数量是有限的，因为每条线都会产生热量。这不可避免地在布线中产生了瓶颈，进而限制了扩展。
　　为了提高可扩展性，瑞士巴塞尔大学和苏黎世IBM研究实验室展示了FinFET可以承载运行在4K左右的自旋量子比特。研究人员实现了对空穴自旋的快速电控制，驱动频率高达150 MHz，单量子比特门保真度处于容错阈值，Rabi振荡品质因子大于87。
　　研究人员表示，他们的器件具有行业兼容性和质量高的特点，并且以灵活的方式制造，这将加速进一步的发展。论文已经发表在《自然·电子学》杂志[1]。
　　巴塞尔大学量子相干实验室
　　在经典计算机中，可扩展性问题的解决方案在于硅芯片，今天硅芯片包括数十亿个＂鳍式场效应晶体管＂(FinFET)。这些FinFET足够小，可用于量子应用；在接近绝对零度(-273.15摄氏度或0K)的极低温度下，带负电荷的单个电子或带正电荷的＂空穴＂可以充当自旋量子比特。
　　自旋量子比特以自旋向上(固有角动量向上)和自旋向下(固有角动量向下)两种状态存储量子信息。
　　在本工作中，巴塞尔大学Kuhlmann团队开发的量子比特基于FinFET架构，使用空穴作为自旋量子比特。与电子自旋相反，硅纳米结构中的空穴自旋可以用快速电信号直接操纵。
　　新开发的量子比特基于所谓的空穴(红色)，其在一个或另一个方向上的自旋(箭头)存储信息。它们被安排在基于硅晶体管的架构中。
　　可扩展性的另一个主要障碍是温度；以前的量子比特系统通常必须在0.1K的极低范围内工作。控制每个量子比特需要额外的测量线来连接室温下的控制电子设备和低温恒温器中的量子比特。这些测量线的数量是有限的，因为每条线都会产生热量。这不可避免地在布线中产生了瓶颈，进而限制了扩展。
　　绕过这个＂布线瓶颈＂是Kuhlmann研究团队的主要目标之一，并需要将测量和控制电子设备直接内置到冷却单元中。＂然而，集成这些电子设备需要量子比特在1K左右的温度下运行，低温恒温器的冷却能力急剧增加，以补偿控制电子设备的散热，＂巴塞尔大学物理系的Leon Camenzind博士解释道。博士生Simon Geyer与Camenzind共同担任这项研究的主要作者，他补充说：＂我们已经用我们的量子比特克服了4K的温度限制，达到了液氦的沸点。在这里，我们可以实现更大的冷却能力，从而集成最先进的低温控制技术。＂
　　利用FinFET架构等成熟技术构建量子计算机，有可能扩展到非常大数量的量子比特。
　　Kuhlmann部署：＂我们在现有硅技术基础上的做法使我们更接近行业实践。这些样本是在苏黎世IBM研究实验室的BiNIG和RoReR纳米技术中心创建的，该中心总部设在巴塞尔大学，该研究团队是其成员之一。＂
　　参考链接：
　　[1]https://www.nature.com/articles/s41928-022-00722-0
　　[2]https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/Hot-spin-quantum-bits-in-silicon-transistors.html