多年以后，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的幾位量子工程科學(xué)家或許還會想起，曾經(jīng)在實驗室里發(fā)生的那一場意外的爆炸。那天，他們制造了一個包含銻原子和特殊天線的裝置，這個裝置優(yōu)化后可以產(chǎn)生一個高頻磁場來控制原子核。實驗要求的磁場相當(dāng)強(qiáng)，所以幾個研究者施加了很大的能量，結(jié)果，天線炸了！
在將實驗繼續(xù)下去時，他們有了意外而重大的發(fā)現(xiàn)——核電共振！
“這一里程碑式的成果將開辟一個發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的寶庫。”接受采訪時，團(tuán)隊核心Morello教授表示：“我們創(chuàng)造的這個系統(tǒng)有足夠的復(fù)雜性來研究我們每天所經(jīng)歷的經(jīng)典世界是如何從量子領(lǐng)域出現(xiàn)的。此外，我們可以利用它的量子復(fù)雜性來構(gòu)建靈敏度大大提高的電磁場傳感器。所有這一切，都是在一個簡單的硅電子器件中進(jìn)行的，它可以通過施加在金屬電極上的小電壓進(jìn)行控制?！?/p>
1、?研究背景
對于磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下，磁矩對應(yīng)的自旋能級會發(fā)生塞曼分裂，如圖1（b）所示。此時外加一定的電磁波輻射，當(dāng)輻射的能量恰好等于自旋核相鄰的能級差時，自旋核通過共振可以吸收某一定頻率的射頻輻射，這一物理過程就是核磁共振（NMR，Nuclear Magnetic Resonance）。自從NMR技術(shù)發(fā)現(xiàn)以來，磁共振技術(shù)在化學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和采礦等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，近年來在通用量子計算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用也被寄予厚望。然而，產(chǎn)生磁場需要大線圈和大電流，并且很難將磁場限制在很小的空間內(nèi)。因此，大區(qū)域內(nèi)相同的原子核自旋都會對同樣的信號做出響應(yīng)，從而阻止自旋的單獨(dú)處理。
俗話說，電磁不分家。與核磁共振類似，對于核電四極矩不等于0的原子核（自旋≥1，電荷非球形分布），在核外電場梯度（EFG）的作用下，會形成一系列量子化的核四極能級。當(dāng)外加射頻電磁場能量等于相鄰四極能級時，產(chǎn)生了相應(yīng)的四極核對該特定頻率的吸收，這一過程就相應(yīng)地稱為核電共振（Nuclear Electric Resonance，NER）。與磁場相比，電場可以在一個小電極的尖端產(chǎn)生，并且從尖端開始急劇衰減，這將使控制在納米電子器件中的單個原子更加容易。也就是說，相比于核磁共振對一類原子的檢測與控制，核電共振可以進(jìn)一步實現(xiàn)對一個原子的檢測與控制。因此，擴(kuò)大基于原子核自旋的量子器件規(guī)模的一個理想途徑是利用RF電場進(jìn)行自旋控制。
早在1961年，磁共振先驅(qū)、諾貝爾獎獲得者Nicolaas Bloembergen就提出了一個對這種策略至關(guān)重要的理論觀點：對于具有自旋I>1/2和非零電四極矩qn的原子核，如果把原子核放在晶格點缺乏點反對稱性的固體中，共振電場可以通過調(diào)節(jié)核四極作用誘導(dǎo)核自旋轉(zhuǎn)換。然而，半個多世紀(jì)過去了，這一想法還沒有在單核實驗中實現(xiàn)過。
基于前述發(fā)現(xiàn)，Andrea Morello教授團(tuán)隊進(jìn)行了深入研究，實現(xiàn)了利用硅納米電子器件中產(chǎn)生的局域電場對單個123Sb（自旋-7/2）核的相干量子控制，這是首次在單核實驗中實現(xiàn)。實驗結(jié)果得到了微觀理論模型的定量支持，揭示了原子核電四極相互作用的純電調(diào)制如何導(dǎo)致由晶格應(yīng)變帶來的唯一可尋址相干核自旋轉(zhuǎn)換。0.1秒的自旋退相干時間比那些需要通過耦合電子自旋實現(xiàn)電驅(qū)動的方法長幾個數(shù)量級。這些結(jié)果表明，高自旋四極核可應(yīng)用于全電子控制的混沌模型、應(yīng)變傳感器和混合自旋-機(jī)械量子系統(tǒng)，集成電可控原子核與量子點可以為可擴(kuò)展的基于核自旋和電子自旋的硅量子計算機(jī)鋪平道路，這些計算機(jī)不需要振蕩磁場即可操作。相關(guān)結(jié)果以“Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon”為題發(fā)表在Nature上。
二、單個高自旋原子核對的相干電控制
三、內(nèi)在機(jī)理探討
從前面的介紹可以看出，得到的單核自旋的相干純粹電控制非常顯著。為了從微觀上理解這一現(xiàn)象，研究者們進(jìn)一步探討了電場到底是如何影響原子核自旋的。對單個NER轉(zhuǎn)換的觀察——由核四極分裂fQ分開——意味著在核位置必須存在一個靜態(tài)EFG，這要求打破硅晶體的Td（四面體類）對稱性。Td對稱性可以通過不同方向的應(yīng)變和電場極化原子鍵而破壞。對實驗器件的研究可知，較大且?guī)щ姷慕o體原子引入了局部晶格畸變，將其四個同等的Si原子移動0.2?，并沿鍵方向極化電荷密度（圖4b、d）。然而，這還沒有破壞Td對稱性。Si和Al在冷卻至低溫時的不同熱膨脹引起了器件應(yīng)變分布，最終得到了EFG。理論模型得到的四極分裂fQ空間圖與實驗研究得到給體的預(yù)測位置上有很好的一致性，對外加電場帶來的耦合強(qiáng)度計算有R14=1.7×1012m-1，也得到了文獻(xiàn)的定量支持。這一系列努力表明，核電共振是一種真正的局部微觀現(xiàn)象：晶格應(yīng)變帶來了非零的EFG，通過調(diào)節(jié)外加電場，可以實現(xiàn)單核自旋中的LQSE和NER。
小結(jié)
在采訪時，Morello教授用臺球桌的比喻來解釋了采用電場控制核自旋的重要意義。?“進(jìn)行磁共振就像試圖通過抬起和搖晃整個臺球桌來移動上面的特定球?！彼f：“我們可以移動目標(biāo)球，但同時也會移動其他所有球?！比欢?strong>“電共振的突破就像是被人遞給一根真正的臺球棒，可以把球打到你想要的地方?！?/strong>
Morello教授表示：“這一發(fā)現(xiàn)意味著，我們現(xiàn)在有了一條利用單原子自旋來構(gòu)建量子計算機(jī)的途徑，而不需要任何振蕩磁場來操作它們?！薄按送?，我們還可以利用這些原子核作為極其精確的電場和磁場傳感器，并且通過它們回答量子科學(xué)中的基本問題?！?/strong>
Andrea Morello教授、Vincent Mourik博士與Serwan Asaad博士。圖片來源：Lee Henderson/UNSW
Andrea Morello教授長期致力于量子計算的固態(tài)器件的開發(fā)。團(tuán)隊于2017年8月與新南威爾士州政府等合作伙伴一起，推出了澳大利亞第一家量子計算公司Silicon Quantum Computing Pty Ltd，用以推進(jìn)團(tuán)隊獨(dú)有技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化。團(tuán)隊計劃在2022年前開發(fā)出10個量子比特原型的硅量子集成電路，這將是建造世界上第一臺硅量子計算機(jī)的第一步。
或許在不久的將來，量子計算將徹底改變我們的世界！
參考來源：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2057-7
https://phys.org/news/2017-09-flip-flop-qubits-radical-quantum.html
