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一个与硅量子点耦合的核自旋量子比特

DOI：10.1038/s41565-019-0587-7 期刊：Nature Nanotechnology 出版年份：2019 更新时间：2025-09-12 10:27:22
摘要： 固态中的单核自旋是量子计算未来潜在的平台，因其具有长相干时间和优异的可控性。测量可通过局域电子（如单原子掺杂剂或晶体缺陷中的电子）实现。然而，在多个掺杂剂或缺陷间建立长程相互作用具有挑战性。相反，在光刻定义的量子点中，可调谐的量子点间电子隧穿能实现相邻量子点中基于电子自旋的量子比特直接耦合。此外，其与半导体制造技术的兼容性可能支持未来扩展至大量量子比特。遗憾的是，超精细相互作用通常过弱而无法操控单核自旋。本研究证明，在硅金属-氧化物-半导体量子点中，电子的超精细相互作用足以初始化、读出并控制单个29Si核自旋。该方法结合了核自旋的长相干时间与量子点系统的灵活性及可扩展性。我们展示了核自旋量子比特的高保真投影读出与控制，以及核自旋与电子自旋间的纠缠。关键的是，我们发现核自旋和电子自旋在量子点间转移电子时均能保持相干性。因此我们设想通过电子穿梭实现长程核-核纠缠。本研究确立了量子点中核自旋作为量子处理强大新资源的地位。
作者： Bas Hensen，Tuomo Tanttu，Fay E. Hudson，Andrea Morello，Andrew S. Dzurak，Arne Laucht，Wister Wei Huang，Chih-Hwan Yang，Kok Wai Chan，Jun Yoneda，Kohei M. Itoh，Thaddeus D. Ladd
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究硅金属-氧化物-半导体量子点中单核自旋在量子计算中的应用，重点关注单个29Si核自旋的初始化、读出与控制，以及核自旋与电子自旋之间的纠缠。

研究成果

该研究证明了利用量子点中的核自旋进行量子计算的可行性，兼具长相干时间与量子点系统的可扩展性。实现了核自旋量子比特的高保真投影读出与控制，以及核自旋与电子自旋之间的纠缠。量子点间电子转移过程中相干性的保持，为长程核-核纠缠创造了可能。

研究不足

延长核自旋的控制时间以及长核磁共振脉冲对电子自旋读出的影响。潜在解决方案包括重新设计射频传输以及在富集硅基质材料中植入29Si核以实现最佳相互作用。

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