Ao ajustar a direção do campo magnético externo em relação ao eixo cristalográfico da pastilha de silício, uma melhoria no tempo de vida do spin (tempo de relaxamento) em mais de duas ordens de magnitude foi relatada em pontos quânticos de silício. Esta descoberta foi realizada por uma equipe liderada pelo acadêmico Guo Guangcan, do Laboratório Chave de Informação Quântica CAS, USTC, em que o Prof. Guo Guoping, Prof. Li Hai-Ou com seus colegas e Origin Quantum Computing Company Limited. Este trabalho foi publicado em Cartas de revisão física em 23 de junho, 2020.

Os qubits de spin baseados em pontos quânticos de silício têm sido uma questão central no desenvolvimento da computação quântica em grande escala devido ao seu longo tempo de coerência e à compatibilidade com a moderna tecnologia de semicondutores. Recentemente, o tempo de relaxamento e o tempo de defasagem de qubits de spin desenvolvidos em Si MOS (Metal-Óxido-Semicondutor) e heteroestrutura Si / SiGe ultrapassaram centenas de milissegundos e centenas de microssegundos, respectivamente, resultando em uma fidelidade de controle de qubit único acima de 99,9% e uma fidelidade de porta de dois qubit acima de 98%. Com o sucesso na faculdade, laboratórios e empresas do setor estão começando a se envolver neste campo, como Intel, CEA-Leti, e IMEC. Contudo, a existência de estados de vale (um estado associado ao mergulho em uma banda eletrônica específica) em pontos quânticos de silício poderia reduzir o tempo de relaxamento do spin e o tempo de defasagem por meio da mistura de vale de spin e limitar a fidelidade de controle dos qubits. Foi relatado que em um determinado campo magnético, a mistura de spin-valley pode diminuir o tempo de relaxamento de spin para menos de um milissegundo (mesmo um microssegundo sob certas condições), chamado de "ponto quente" de relaxamento de rotação. Quando o número de qubits aumenta, este fenômeno causará um grande número de qubits "ruins" e impedirá uma extensão posterior para mais qubits.

Um método tradicional para suprimir os efeitos adversos da mistura de vale-rotação é aumentar a magnitude da divisão de vale e empurrar o qubit para tão longe que os estados de rotação e vale não sejam mais misturados. Contudo, uma vez que os estados do vale são afetados por vários fatores do material, que geralmente não é uniforme, a magnitude da divisão do vale é difícil de controlar (especialmente na heteroestrutura Si / SiGe). Uma abordagem alternativa é controlar diretamente a magnitude da mistura de spin-valley. Foi relatado que em pontos quânticos GaAs, a força do acoplamento spin-órbita pode ser ajustada pela orientação do campo magnético no plano e o tempo de relaxamento do spin é, portanto, estendido. No entanto, até aqui, ainda não há nenhum relatório sobre como a direção do campo magnético externo afeta a força da mistura de vale de rotação no silício.

Para resolver este problema, Prof. Li Hai-Ou, O Prof. Guo Guoping e seus colegas fabricaram pontos quânticos de Si MOS de alta qualidade e alcançaram a leitura de um único disparo de qubits de spin. Com base nesta técnica confiável, eles investigaram o efeito da força e da orientação do campo magnético externo nas taxas de relaxamento do spin. Eles descobriram quando o campo magnético externo no plano é orientado em um determinado ângulo, o "ponto quente" de relaxamento de spin poderia ser "resfriado" em duas ordens de magnitude, aumentando o tempo de relaxamento de menos de um milissegundo para mais de cem milissegundos. Esta grande variação indica que a mistura de spin-valley é efetivamente suprimida, e estabelece uma base para pesquisas futuras sobre como livrar os qubits de spin da mistura de spin-valley. Também, os pesquisadores descobriram que essa anisotropia ainda pode ser superior a duas ordens de magnitude quando o campo elétrico é variado. Isso sugere que a magnitude da anisotropia é independente do campo elétrico em uma certa faixa e poderia ser aplicada a uma série de qubits que contêm diferentes campos elétricos locais, que deve oferecer novas direções para otimizar a leitura, controle e extensão multi-qubit de qubits de spin à base de silício.

Este trabalho é altamente considerado por árbitros anônimos, quem disse, "Este trabalho dá uma contribuição importante para desvendar os fenômenos subjacentes e resolver o problema prático de encontrar as condições operacionais ideais para explorar os graus de liberdade de spin em pontos quânticos de silício, "e" O estudo apresentado neste manuscrito representa um dos poucos estudos extensos realizados para anisotropia de relaxamento de spin em QDs e fornece novas maneiras de sondar também as propriedades de anisotropia de mecanismos de mistura de spin entre vales e intra-vales, "e" A compreensão física da interação do spin, graus de liberdade de vale e orbital são levados a um próximo nível com este trabalho. "