相干时间达8.2µs！科学家实现全新电子自旋量子比特

光子盒研究院出品

近期，科学家发现，单臂管状碳纳米材料是量子比特的理想承载，可以使量子比特保持原位旋转，以用于量子信息技术。该成果由美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的科学家与几所大学的研究人员合作完成，并于上月发表在Nature Communication上。

电子具有类似于陀螺自旋的特性，但有一个关键区别。当陀螺旋转到位时，它们可以向右或向左旋转。电子的行为就好像它们同时在两个方向上旋转一样。这是一种称为叠加的量子特征。同时处于两种状态使电子成为自旋量子比特的良好候选者。自旋量子比特需要一种合适的材料来容纳、控制和检测它们，以及读取其中的信息。

考虑到这一点，该团队选择研究一种仅由碳原子制成的纳米材料，它具有中空管状形状，厚度仅为大约一纳米，即十亿分之一米，大约比一个物体的宽度薄 100,000 倍人的头发。

“这些碳纳米管通常只有几微米长，”阿贡纳米材料中心(CNM)的科学家马雪丹说。“它们大多没有波动的核自旋，这些核自旋会干扰电子的自旋并减少其相干时间。”

该团队面临的问题是碳纳米管本身无法在一个位置保持旋转电子。它在纳米管周围移动。过去的研究人员尝试插入相隔几纳米的电极，以将旋转的电子限制在它们之间，但这种安排体积大、成本高且难以扩大规模。

目前的团队设计了一种方法来消除对电极或其他用于限制电子的纳米级设备的需求。与之前不同，它们以一种将旋转电子捕获到一个位置的方式化学改变碳纳米管中的原子结构。他们的测试结果揭示了创纪录的8.2µs长相干时间和13 ms自旋晶格弛豫时间——这是任何实用量子比特的关键属性，因为它决定了在量子比特的生命周期内可以执行的量子操作的数量。

承载旋转电子作为量子比特的化学改性碳纳米管的艺术渲染。（图片来源：阿贡国家实验室）

“令我们非常高兴的是，我们的化学修饰方法在碳纳米管中创造了一个非常稳定的自旋量子比特，”CNM成员陈家祥说。陈同时也是西北大学分子量子转导中心的博士后学者。

考虑到它们的体积小，该团队的自旋量子比特平台可以更容易地集成到量子设备中，并允许以多种可能的方式读出量子信息。此外，碳管非常柔韧，它们的振动可用于存储来自量子比特的信息。

美国阿贡国家实验室纳米材料中心：

作为美国第一个国家实验室，阿贡在几乎所有科学学科中都进行前沿的基础和应用科学研究。阿贡纳米材料中心是美国能源部五个纳米科学研究中心之一，是美国能源部科学办公室支持的纳米级跨学科研究的主要国家用户设施。

参考资料：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-023-36031-z

[2]https://www.anl.gov/article/an-innovative-twist-on-quantum-bits-tubular-nanomaterial-of-carbon-makes-ideal-home-for-spinning

相关阅读：

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：|qu|cryovac>

|qu|cryovac>