光學(xué)活性半導(dǎo)體量子點(diǎn)是迄今為止已知的最有效的自旋光子界面，盡管進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的研究，但科學(xué)家仍很難將其存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)到幾微秒以上。在最新研究中，英國(guó)劍橋大學(xué)、林茨大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)研究人員證明，有一種簡(jiǎn)單的材料可解決這個(gè)問題，將量子信息的存儲(chǔ)提高到一百微秒以上。研究成果發(fā)表在近日的《自然·納米技術(shù)》期刊上。

量子點(diǎn)是由數(shù)千個(gè)原子組成的晶體結(jié)構(gòu)。這些原子的每一個(gè)原子核都有一個(gè)與量子點(diǎn)電子耦合的磁偶極矩，并可能導(dǎo)致存儲(chǔ)在電子量子比特中的量子信息丟失。新研究發(fā)現(xiàn)，在用具有相同晶格參數(shù)的半導(dǎo)體材料構(gòu)建的器件中，原子核“感受到”相同的環(huán)境并表現(xiàn)一致。結(jié)果是可濾除這種核噪聲并在存儲(chǔ)時(shí)間上實(shí)現(xiàn)近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。

研究人員稱，這是一種全新的光學(xué)活性量子點(diǎn)機(jī)制，可在其中關(guān)閉與原子核的相互作用，并一遍又一遍地重新聚焦電子自旋以保持其量子態(tài)活躍。對(duì)于量子點(diǎn)中的自旋，較短的相干時(shí)間是應(yīng)用的最大障礙，這一發(fā)現(xiàn)為此提供了一個(gè)清晰而簡(jiǎn)單的解決方案。

在首次探索百微秒時(shí)間尺度時(shí)，研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)電子只能看到來自原子核的噪聲，而不是器件中的電噪聲。

另一件讓研究人員感到驚訝的事情是從原子核中接收到的“聲音”。它并不像最初預(yù)期的那么和諧，而且通過進(jìn)一步的材料改進(jìn)，系統(tǒng)的量子相干性還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

研究人員表示，這項(xiàng)研究最令人興奮的事情之一是馴服一個(gè)復(fù)雜的量子系統(tǒng)：十萬個(gè)原子核與一個(gè)控制良好的電子自旋強(qiáng)烈耦合。大多數(shù)研究人員通過消除所有相互作用來解決將量子位從噪聲中分離出來的問題。他們的量子位變得有點(diǎn)像被鎮(zhèn)靜了的薛定諤的貓，無論任何人拉動(dòng)它的尾巴，它都無法作出反應(yīng)。而新研究中的“貓”像是服用了強(qiáng)效興奮劑。

量子點(diǎn)現(xiàn)在結(jié)合了高光子量子效率和長(zhǎng)自旋相干時(shí)間。在不久的將來，研究人員設(shè)想這些器件能夠?yàn)槿庾恿孔佑?jì)算創(chuàng)建糾纏光態(tài)，并允許對(duì)核自旋系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)量子控制實(shí)驗(yàn)。

審核編輯：劉清