精确测得碳化硅材料的自旋相干时间

图1 碳化硅是一种 CMOS 兼容材料，具有广泛的应用背景。近日，芝加哥大学和美国阿贡国家实验室的科学家们合作观测到，碳化硅芯片的量子位相干时间超过 5 秒。[图片：David Awschalom/芝加哥大学]

       作为最有前景的量子比特（量子位）类型中的一员，由固态晶体缺陷诱导出的自旋正被深入发展。特别是碳化硅 (SiC) 的产品设计具有晶圆级、CMOS 兼容的生产潜力。然而，在此之前，仍不可能通过单次读取过程确定性地测量这种自旋。

       现在，美国的研究人员展示了如何通过将 SiC 的自旋态映射到长寿命电荷上来达到这一点，结果表明它们可以保持自旋相干态超过 5 秒—这在量子世界中近乎是永恒的（Sci. Adv.，doi：10.1126/sciadv.abm5912）。他们认为该技术可以为远程量子通信和极精确的量子传感器应用铺平道路。

单转换问题

       这项工作由芝加哥大学和阿贡国家实验室的 David Awschalom与同事合作完成。操纵激光束和微波去除SiC 六方晶胞中的单个碳和硅原子，从而形成双位空缺。缺陷周围的未配对原子键产生自旋。

       首先用激光激发初量子位，再使其下降到基态，然后用微波将其置于特定的自旋亚能级。其次，读取过程通常通过第二束共振激光泵浦量子位，并记录通过光致发光产生的光子数。

       后一步的问题在于，单个跃迁泵浦量子位会导致自旋翻转，由于有限的收集率，若没有发射足够的光子，会降低自旋亚能级。因此，无法通过单束激光读取量子位的状态，那么对于未来的量子网络来说，量子纠缠分布非常耗时。

自旋-电荷转换

       解决这个问题的一个方法是将量子位的自旋态映射到一个电荷态上，然后激发后者，读出前者。然而，在此之前，这种“自旋-电荷转换”仅在金刚石中通过氮基空位中心得以实现。

       Awschalom 和同事展示了如何利用缺陷的中性状态和带电状态之间不同的光致发光水平在碳化硅中做类似的事情。他们的多步方案包括首先使用相对高频的激光脉冲将空位初始化为中性状态，然后用微波初始化其自旋态。

        这为自旋-电荷转换奠定了基础，即第一个激光脉冲激发自旋选择性光学跃迁，具有足够能量的第二个脉冲在激发态上电离缺陷，并且不激发任何光学跃迁。当且仅当初自旋处于基态时，自旋激发以及伴随的电离才会产生——自旋向上，而初自旋位于任一自旋亚能级——自旋向下时，以上结果不会发生。

        由于电荷态取决于自旋态，两束激光诱导全部量子位的自旋亚能级从基态跃迁至激发态，以读出电荷态。显著的光致发光仅在没有电离的情况下发生，因此光致发光证明量子位处于自旋向下态。

实现长相干时间

       通过这项技术，研究人员发现他们能够以 80% 的保真度读取自旋态，提供高信噪比，从而使他们能够测量长相干时间。

       正如他们所说，SiC中存在硅-29和碳-13原子核之间天然的相互作用，这种相互作用产生的磁涨落使量子位的自旋态退相干。相反，最大限度地减少这两种同位素的数量来设计他们的SiC样品。然后，利用一系列微波脉冲反复将量子比特与噪声源解耦合，进一步延长了相干时间。

      通过 16,000 个以上的微波脉冲，研究人员获得了 5.3 秒的最大相干时间。他们指出，这比先前 SiC的最佳数据（他们一年多前报道的论文）多了两个数量级以上。但他们认为，如果使用更多的脉冲，可以做得更好——在提高脉冲数的过程中，他们并没有观察到饱和的相干时间。他们补充道，可以通过多种方式改善-自旋电荷转换，例如优化电离缺陷所需的激光波长以及使用偏振光来避免不必要的激致发射。

       最后，Awschalom 和同事认为，他们的工作可以扩展量子网络所需的中继器的应用距离——长相干时间降低了中继器记忆中的错误率。此外，他们说，更持久的相干性同样有利于量子传感，通过允许设备累积多余的相位，从而提高量子位对微弱信号的敏感性。

      消息来源：https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2022/february/five-second_coherence_time_for_silicon_carbide_spi/