半導(dǎo)體所等在量子比特退相干研究中獲得新發(fā)現(xiàn)

　　在中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李樹深院士的研究組中，博士生馬穩(wěn)龍與香港中文大學(xué)劉仁保教授、北京計(jì)算科學(xué)中心趙楠研究員合作，在si:p系統(tǒng)量子比特的退相干研究方面取得了新的理論發(fā)現(xiàn)，并被英國倫敦大學(xué)johnj.l.morton教授的實(shí)驗(yàn)組所證實(shí)，理論和實(shí)驗(yàn)的工作一起發(fā)表在nature子刊系列《自然·通訊》上。

　　與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特對應(yīng)，量子比特是存儲量子信息的基本單位。量子計(jì)算機(jī)的核心是利用量子力學(xué)中的相干性，而量子比特與環(huán)境耦合導(dǎo)致的退相干是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的主要阻礙之一。但是，近些年的研究發(fā)現(xiàn)，量子比特的退相干過程包含了環(huán)境中的重要信息，因此可以作為一種探測環(huán)境性質(zhì)的有效手段，例如利用自旋比特退相干去探測單個(gè)核自旋以及多體系統(tǒng)的相變過程等。

　　在基于自旋的量子計(jì)算中，利用si中的雜質(zhì)電子自旋作為量子比特有很多獨(dú)特的優(yōu)勢，包括與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝兼容和較長的量子比特相干時(shí)間等。si中的p雜質(zhì)(si:p)是被廣泛研究的一種體系。在低溫si:p系統(tǒng)中，自旋退相干主要是由p電子自旋與29si核自旋之間的耦合引起的。動(dòng)力學(xué)解耦是抑制自旋退相干的一個(gè)有效手段，它主要是通過一系列在特定時(shí)間點(diǎn)電子自旋施加的翻轉(zhuǎn)脈沖來有效地抑制自旋比特與環(huán)境的耦合。

　　在對si:p系統(tǒng)的p電子自旋退相干研究中，李樹深的研究組和合作者們發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整動(dòng)力學(xué)解耦脈沖數(shù)量的奇偶性，可以分別探測到29si核自旋之間不同的多體關(guān)聯(lián)。當(dāng)動(dòng)力學(xué)解耦的脈沖數(shù)量為奇數(shù)時(shí)，自旋退相干主要是由核自旋之間的二階關(guān)聯(lián)(兩體作用)引起的;而當(dāng)動(dòng)力學(xué)解耦的脈沖數(shù)量為偶數(shù)時(shí)，自旋退相干主要是核自旋之間的四階關(guān)聯(lián)(三體關(guān)聯(lián)和四體關(guān)聯(lián))引起的。

　　這一發(fā)現(xiàn)不僅是自旋退相干理論研究的一個(gè)突破進(jìn)展，而且為探測納米尺度環(huán)境中的多體過程提供了一種可能方案，并可能在鑒定分子結(jié)構(gòu)和固體缺陷性質(zhì)方面獲得重要的應(yīng)用。

　　該工作得到了科技部國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委的支持。

　　(a)利用p雜質(zhì)電子自旋退相干來探測29si核自旋之間的多體關(guān)聯(lián);(b)核自旋的二階關(guān)聯(lián)和四階關(guān)聯(lián)的費(fèi)曼圖。