量子科学有可能通过更高效的计算机、通信和传感设备彻底改变现代技术。然而，实现这些技术目标仍然存在挑战，包括如何精确地操纵量子系统中的信息。
在《自然物理学》杂志上发表的一篇论文中，罗切斯特大学的一组研究人员，包括物理学副教授JohnNichol，概述了一种控制硅量子点电子自旋的新方法——具有卓越性能的微小纳米级半导体——一种在量子系统中操纵信息的方法。
“这项研究的结果为基于半导体量子点中电子自旋的量子比特相干控制提供了一种有前途的新机制，这可能为开发实用的硅基量子计算机铺平道路，”Nichol说。
使用量子点作为量子比特
一台普通计算机由数十亿个晶体管组成，称为位。另一方面，量子计算机基于量子位，也称为量子位。与可以为“0”(关)或“1”(开)的普通晶体管不同，量子比特受量子力学定律支配，可以同时为“0”和“1”。
长期以来，科学家们一直在考虑使用硅量子点作为量子比特。控制量子点中电子的自旋将提供一种操纵量子信息传输的方法。量子点中的每个电子都具有固有磁性，就像一个微小的条形磁铁。科学家称此为“电子自旋”——与每个电子相关的磁矩——因为每个电子都是带负电的粒子，其行为就像在快速旋转一样，正是这种有效运动产生了磁性。
电子自旋是量子计算中传输、存储和处理信息的有前途的候选者，因为它提供长相干时间和高门保真度，并且与先进的半导体制造技术兼容。量子位的相干时间是量子信息由于与嘈杂环境的相互作用而丢失之前的时间;长一致性意味着执行计算的时间更长。高门保真度意味着研究人员试图执行的量子运算完全按照他们想要的方式执行。
然而，使用硅量子点作为量子位的一个主要挑战是控制电子自旋。
控制电子自旋
控制电子自旋的标准方法是电子自旋共振(ESR)，它涉及将振荡射频磁场应用于量子位。然而，这种方法有几个局限性，包括需要在大多数电子自旋量子比特运行的低温环境中产生和精确控制振荡磁场。通常，为了产生振荡磁场，研究人员通过电线发送电流，这会产生热量，从而扰乱低温环境。
Nichol和他的同事概述了一种不依赖于振荡电磁场的硅量子点中控制电子自旋的新方法。该方法基于一种称为“自旋谷耦合”的现象，这种现象发生在硅量子点中的电子在不同的自旋和谷态之间转变时。电子的自旋态指的是其磁性，而谷态指的是与电子空间分布相关的不同属性。
研究人员应用电压脉冲来利用自旋谷耦合效应并操纵自旋和谷态，从而控制电子自旋。
“这种通过自旋谷耦合进行相干控制的方法允许对量子位进行通用控制，并且可以在不需要振荡磁场的情况下执行，这是ESR的限制，”Nichol说。“这为我们提供了一条使用硅量子点来操纵量子计算机中信息的新途径。”