半導體所等在量子比特退相干研究中獲得新發現

　　在中國科學院半導體研究所超晶格國家重點實驗室李樹深院士的研究組中，博士生馬穩龍與香港中文大學劉仁保教授、北京計算科學中心趙楠研究員合作，在Si:P系統量子比特的退相干研究方面取得了新的理論發現，并被英國倫敦大學John J.L. Morton教授的實驗組所證實，理論和實驗的工作一起發表在Nature子刊系列《自然·通訊》上。

　　與經典計算機中的比特對應，量子比特是存儲量子信息的基本單位。量子計算機的核心是利用量子力學中的相干性，而量子比特與環境耦合導致的退相干是實現量子計算的主要阻礙之一。但是，近些年的研究發現，量子比特的退相干過程包含了環境中的重要信息，因此可以作為一種探測環境性質的有效手段，例如利用自旋比特退相干去探測單個核自旋以及多體系統的相變過程等。

　　在基于自旋的量子計算中，利用Si中的雜質電子自旋作為量子比特有很多獨特的優勢，包括與傳統半導體工藝兼容和較長的量子比特相干時間等。Si中的P雜質（Si:P）是被廣泛研究的一種體系。在低溫Si:P系統中，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。動力學解耦是抑制自旋退相干的一個有效手段，它主要是通過一系列在特定時間點電子自旋施加的翻轉脈沖來有效地抑制自旋比特與環境的耦合。

　　在對Si:P系統的P電子自旋退相干研究中，李樹深的研究組和合作者們發現，通過調整動力學解耦脈沖數量的奇偶性，可以分別探測到29Si核自旋之間不同的多體關聯。當動力學解耦的脈沖數量為奇數時，自旋退相干主要是由核自旋之間的二階關聯（兩體作用）引起的；而當動力學解耦的脈沖數量為偶數時，自旋退相干主要是核自旋之間的四階關聯（三體關聯和四體關聯）引起的。

　　這一發現不僅是自旋退相干理論研究的一個突破進展，而且為探測納米尺度環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構和固體缺陷性質方面獲得重要的應用。

該工作得到了科技部國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委的支持。

　　(a) 利用P雜質電子自旋退相干來探測29Si核自旋之間的多體關聯；(b) 核自旋的二階關聯和四階關聯的費曼圖。