全新光學活性量子點機制發現

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量子點中電子自旋與光和強耦合核自旋相結合的藝術圖(通過鏡頭觀察)。圖片來源：雷恩?扎珀斯基/劍橋大學

光學活性半導體量子點是迄今為止已知的最有效的自旋光子界面，盡管進行了長達10年的研究，但科學家仍很難將其存儲時間延長到幾微秒以上。在最新研究中，英國劍橋大學、林茨大學和謝菲爾德大學研究人員證明，有一種簡單的材料可解決這個問題，將量子信息的存儲提高到一百微秒以上。研究成果發表在近日的《自然·納米技術》上。

量子點是由數千個原子組成的晶體結構。這些原子的每一個原子核都有一個與量子點電子耦合的磁偶極矩，并可能導致存儲在電子量子比特中的量子信息丟失。新研究發現，在用具有相同晶格參數的半導體材料構建的設備中，原子核“感受到”相同的環境并表現一致。結果是可濾除這種核噪聲并在存儲時間上實現近兩個數量級的改進。

研究人員稱，這是一種全新的光學活性量子點機制，可在其中關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活躍。對于量子點中的自旋，較短的相干時間是應用的最大障礙，這一發現為此提供了一個清晰而簡單的解決方案。

在首次探索百微秒時間尺度時，研究人員驚喜地發現電子只能看到來自原子核的噪聲，而不是設備中的電噪聲。

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”。它并不像最初預期的那么和諧，而且通過進一步的材料改進，系統的量子相干性還有進一步改進的空間。

研究人員表示，這項研究最令人興奮的事情之一是馴服一個復雜的量子系統：十萬個原子核與一個控制良好的電子自旋強烈耦合。大多數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像被鎮靜了的薛定諤的貓，無論任何人拉動它的尾巴，它都無法作出反應。而新研究中的“貓”像是服用了強效興奮劑。

量子點現在結合了高光子量子效率和長自旋相干時間。在不久的將來，研究人員設想這些設備能夠為全光子量子計算創建糾纏光態，并允許對核自旋系統進行基礎量子控制實驗。

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