量子客导读：
当自旋-轨道量子比特相干时间提升10000倍，量子计算机的发展将如何？
作为量子计算机的一种特殊技术栈，自旋-轨道量子比特（Spin-orbit qubits）由于其易操作和能够实现长距离耦合的特点，科学家已经对其研究了数十年之久。但是，对于可用量子计算机而言，它们的相干时间是远远不够的。新南威尔士大学（UNSW）的科学家已经证明，当硅中自旋轨道耦合足够强大，硅中自旋-轨道量子比特的相干时间便会增加，而且可达之前相干时间记录的10000倍。该研究已于昨日发表在《Nature Materials》[1]上，当自旋轨道耦合足够强时，保持较长的相干时间成为现实。不言而喻，该技术成了扩展大规模硅量子计算机的理想候选方案。研究者证明了超长的相干时间可达10ms。这颠覆了过去的认识，也就是说自旋-轨道量子比特可以非常稳健的运行。
根本上，量子比特的稳定性，决定了量子比特可以保留量子信息的时间长度。在自旋-轨道量子比特中，信息存储在电子的自旋及其轨道中。正是这两个自旋之间的耦合强度使量子比特保持稳定，并且不易被器件中的电噪声破坏。该研究的主要作者日本东北大学的Kobayashi博士在对外描述时提到：大多数自旋-轨道量子比特中的信息其实非常淘气，很脆弱。而本文提到的解决方案因其特殊性，使得存储的量子信息非常稳健。也即是说，这里的信息存储在电子自旋的方向和轨道上，而不仅仅是存于自旋中。由于自旋-轨道耦合中的强大吸引力，带电电子的圆形轨道和自旋像齿轮一样被锁定在一起。所以这种强耦合提供了关键性的作用，当增加自旋轨道耦合的强度时，量子比特就实现了更长的相干时间。
图2 | 自旋-轨道的强耦合（来源：Takashi Kobayashi ）为了增加相干时间，研究人员首先通过在硅晶体中引入称为受体掺杂原子（Acceptor dopant atoms）的杂质，以用来创建自旋-轨道量子比特。研究小组改变了芯片硅晶格结构中的应变（Strain），以产生不同程度的自旋-轨道耦合。这种晶体之所以特别，是因为它只包含没有核自旋的硅同位素。这消除了磁噪声，并且由于应变过大，对电噪声的敏感性也降低了。研究人员表示，他们的芯片被固定在一种材料上，这种材料在低温下可以伸展硅，就像橡皮筋一样。当将晶格拉伸到合适的张力时，便能够实现将自旋-轨道耦合调整到最佳值。通过这种方式，实现了自旋-轨道量子比特相干时间与以前的相干时间相比，长了10,000倍。这意味着量子信息可以保留更长的时间，从而可以执行更多的操作，这是扩展量子计算机至关重要的因素。老生常谈，为了使量子计算机的性能超越传统计算机，需要扩大量子比特的数量，才能执行复杂的计算。自旋-轨道量子比特因为对电场的独一无二的稳定性，为制造可扩展的量子计算机提供了强有力的新途径。这一发现最终为操纵单量子比特和耦合量子比特提供了新方法，这将使得后期量子芯片制造的方法更加的灵活。不仅如此，电子的相互作用还允许其与其它量子系统相互耦合，从而打开了混合量子系统的大好世界。相干时间，已经成了量子计算的核心话题之一，该研究为大规模量子计算机提供了方向性的指导。量子计算机也可以寻求稳定并且能和当前的计算机处理技术兼容，不仅仅使大规模量子计算机成为可能，还使批量制造大规模量子计算机也成为可能。[1] 论文：http://dx.doi.org/10.1038/s41563-020-0743-3
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