7、硅基量子计算机之路

硅基量子计算机之路

1. 引言

硅中的磷（P）施主为固态量子计算提供了独特的机会。在7K的同位素纯化的(^{28}Si)中，孤立的Si:P施主上的电子自旋具有长达约60ms的退相干时间。相比之下，由于自旋 - 轨道相互作用，GaAs中的电子自旋退相时间要短几个数量级，并且III - V族主体晶格的背景核自旋无法通过同位素选择消除。此外，Si:P施主是一个自约束、完全均匀的单电子量子点，具有非简并基态。强库仑势打破了施主位点附近硅导带的6谷简并，产生了约15meV的能隙，这是量子计算所必需的。

Kane最初的提议是将量子信息编码到无自旋（(I = 0)）的(^{28}Si)晶格中(^{31}P)量子比特的核自旋1/2态上。当电子自旋极化时，P施主的核自旋弛豫时间极长，在液氦温度下可达数小时，更低温度下则更长。Kane架构在高磁场（(B \approx 2T)）和极低温度（(T \approx 100mK)）下，使用顶部栅极阵列来操纵每个施主位点上自旋极化电子的基态波函数。每个施主上方的“(\mu) - 栅极”通过接触超精细相互作用调节单量子比特核磁共振（NMR）旋转；它们之间的“(J) - 栅极”通过自旋极化电子波函数的重叠诱导间接的双量子比特核交换相互作用。然而，通过电子处理核自旋的技术问题极其困难。随后，有人提出了Kane架构的改进版本，使用P施主电子的自旋作为量子比特。在这个方案中，(\Lambda) - 栅极通过将电子基态极化到SiGe异质结构的富Ge区域来调制电子的g因子，以进行选择性电子自旋共振（ESR）旋转，而双量子比特电子交换通过波函数重叠诱导。

最初，实现Kane提议最困难的挑战被认为是将P施主以原子精度定位到硅中。巧合的是，不久后就公布了实现这一目标的方法。此前