近日，德俄科學(xué)家合作研發(fā)一種自旋量子位的聲學(xué)操控方法，展示了表面聲波的應(yīng)變場(chǎng)與碳化硅中硅空位的激發(fā)態(tài)自旋之間的相互作用。新方法有望改善電子自旋的量子控制，并為微型量子設(shè)備高效處理量子信息提供新的可能性。

色心是晶體中的晶格缺陷，可以捕獲一個(gè)或多個(gè)額外的電子。被捕獲的電子通常會(huì)吸收可見(jiàn)光譜中的光，因此，透明材料(例如金剛石)會(huì)通過(guò)這些中心著色。色心通常與某些磁性有關(guān)，這使它們?cè)诹孔蛹夹g(shù)應(yīng)用中很有前途，例如量子存儲(chǔ)器或量子傳感器。科學(xué)上的挑戰(zhàn)在于開(kāi)發(fā)有效的方法來(lái)控制電子的磁量子特性，或者說(shuō)控制它們的自旋狀態(tài)。近年來(lái)，碳化硅色心自旋操控成為新興的研究方向。

最近，德國(guó)保羅德魯?shù)鹿虘B(tài)電子研究所、亥姆赫茲德累斯頓羅森多夫研究中心和俄羅斯科學(xué)院艾菲物理技術(shù)研究所的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表論文，展示了表面聲波的應(yīng)變場(chǎng)與碳化硅中硅空位的激發(fā)態(tài)自旋之間的巨大相互作用。這種基態(tài)和激發(fā)態(tài)自旋的相干聲學(xué)操縱為高效的量子信息協(xié)議和相干傳感提供了新的機(jī)會(huì)。

艾菲物理技術(shù)研究所的亞歷山大·波沙金斯基博士介紹說(shuō)：“人們可以把這種控制看作是用普通的電子調(diào)音器給吉他調(diào)音。只是我們的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜一點(diǎn)：磁場(chǎng)將電子自旋的共振頻率調(diào)整為聲波的頻率，而激光則激發(fā)色心在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間躍遷。”這些光學(xué)躍遷發(fā)揮著重要作用：它們通過(guò)記錄電子返回基態(tài)時(shí)發(fā)射的光量子來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋態(tài)的光學(xué)檢測(cè)。由于晶格的周期性振蕩與被困在色心中的電子之間的強(qiáng)烈相互作用，科學(xué)家們?cè)O(shè)法通過(guò)聲波同時(shí)控制基態(tài)和激發(fā)態(tài)的電子自旋。

保羅德魯?shù)卵芯克陌栘愅?middot;埃爾南德斯-明格斯博士解釋說(shuō)：“陀螺運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋進(jìn)是旋轉(zhuǎn)軸方向的變化。我們可以將電子自旋視為一個(gè)微型陀螺儀，這樣進(jìn)動(dòng)軸受到聲波的影響，并且每次色心在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間躍遷時(shí)都會(huì)改變其方向。由于色心處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度是隨機(jī)的，因此在基態(tài)和激發(fā)態(tài)的進(jìn)動(dòng)軸取向的巨大差異意味著電子自旋的取向以及存儲(chǔ)在其中的量子信息以不受控制的方式變化。”這種變化使得電子自旋中存儲(chǔ)的量子信息在多次躍遷后會(huì)丟失。

為了防止這種情況出現(xiàn)，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種新方法：通過(guò)適當(dāng)調(diào)整色心的共振頻率，使得自旋的進(jìn)動(dòng)軸在基態(tài)和激發(fā)態(tài)共線(xiàn)。即自旋沿明確定義的方向保持其進(jìn)動(dòng)方向，即使它們?cè)诨鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)之間來(lái)回跳躍。在這種特殊條件下，存儲(chǔ)在電子自旋中的量子信息與激光引起的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的跳躍解耦。這種聲學(xué)操縱技術(shù)為在尺寸類(lèi)似于微芯片的量子設(shè)備中處理量子信息提供了新的可能性。它還可能對(duì)生產(chǎn)成本產(chǎn)生巨大影響，進(jìn)而推動(dòng)面向大眾的量子技術(shù)的可用性。(科技日?qǐng)?bào)記者 李山)

關(guān)鍵詞： 自旋量子位 聲學(xué)操控方法 電子自旋 量子控制