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，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?！苯邮懿稍L時，團隊核心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行的，它可以通過施加在金屬電極上的小電壓進行控制。”
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，核電共振可以進一步實現(xiàn)對一個原子的檢測與控制。因此，擴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教授團隊進行了深入研究，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-機械量子系統(tǒng)，集成電可控原子核與量子點可以為可擴展的基于核自旋和電子自旋的硅量子計算機鋪平道路，這些計算機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度計算有R14=1.7×1012m-1，也得到了文獻的定量支持。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?，“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)建量子計算機的途徑，而不需要任何振蕩磁場來操作它們。”“此外，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。”
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，用以推進團隊獨有技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化。團隊計劃在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
