《实用半导体自旋电子学的突破:信息在室温或室温以上在电子自旋和光之间有效交换 》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: shenxiang
  • 发布时间:2021-04-13
  • 未来可能会使用信息技术,利用电子自旋在量子计算机中存储、处理和传输信息。在室温下使用基于自旋的量子信息技术一直是科学家们的目标。来自瑞典、芬兰和日本的一组研究人员现在已经构建了一种半导体元件,在该元件中,信息可以在室温或室温以上的条件下有效地在电子自旋和光之间交换,此研究成果发表在《自然光子学》上。

    自旋电子学——未来信息技术的一个很有前途的候选者——利用电子的量子特性来存储、处理和传递信息,比传统电子产品更快的速度和更低的能耗。

      近几十年来,自旋电子学的发展是基于金属的使用,这对存储大量数据的可能性具有重要意义。基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋状态表示的信息转换为光,反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。这将使基于自旋的信息处理和存储与通过光传输的信息融合成为可能。

      光自旋纳米结构中的量子点由砷化铟(InAs)制成。每个量子点的厚度大约是人类头发厚度的1万倍。

      由于现在使用的电子是在室温或更高的温度下工作的,自旋电子学发展中的一个严重问题是,当温度升高时,电子倾向于改变自旋方向并使其随机化。这意味着由电子自旋态编码的信息丢失或变得模糊。因此,在室温或更高的温度下,我们可以使所有电子基本处于相同的自旋状态并保持它,换句话说,它们是自旋极化的,这是发展半导体自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下获得了60%左右的最高电子自旋极化,无法实现大规模的实际应用。

      Linköping大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员现在已经在室温下实现了超过90%的电子自旋极化。即使到了110°C,自旋极化仍然保持在很高的水平。这项技术进步,是基于研究人员从不同半导体材料层构建的光自旋电子纳米结构。它包含被称为量子点的纳米级区域。每个量子点的厚度大约是人类头发厚度的1万倍。当一个自旋极化的电子撞击一个量子点时,它会发出光——更精确地说,它会发出单个光子,其状态(角动量)由电子自旋决定。在自旋电子学、光子学和量子计算中,量子点作为电子自旋和光之间的信息传递界面具有巨大的潜力。该研究成果证明,在室温下,利用相邻的自旋过滤器远程控制量子点的电子自旋是可能的。

      这些量子点由砷化铟(InAs)和一层砷化镓氮(GaNAs)组成,起自旋过滤器的作用。在它们之间夹有一层砷化镓(GaAs)。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中,研究人员相信这可以使自旋电子学与现有的电子和光子元件更容易集成。

    论文信息:"Room-temperature electron spin polarization exceeding 90% in an opto-spintronic semiconductor nanostructure via remote spin filtering", Yuqing Huang, Ville Polojärvi, Satoshi Hiura, Pontus Höjer, Arto Aho, Riku Isoaho, Teemu Hakkarainen, Mircea Guina, Shino Sato, Junichi Takayama, Akihiro Murayama, Irina A. Buyanova and Weimin M. Chen, (2021), Nature Photonics, published online on 8 April 2021, doi: 10.1038/s41566-021-00786-y

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    • 编译者:gaof
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    • 综述: 据最新的一项报道,将来超导量子计算机的建设者或许可以从半导体器件中学到点一点东西,通过利用自然世界和半导体行业的好点子,研发人员或许能够大大简化由半导体构建的量子设备的操作。他们称这位‘半导体激发’的方法,并认为这能够为提高超导量子电路提供有用的指南。 根据最近一周自然通讯期刊的报道,将来超导量子计算机的建设者或许可以从半导体器件中学到点一点东西,通过利用自然世界和半导体行业的好点子,研发人员或许能够大大简化由半导体构建的量子设备的操作。他们称这位‘半导体激发’的方法,并认为这能够为提高超导量子电路提供有用的指南。 超导量子比特,或者称量子位是由超导器件(比如导线、电容或非线性电感)组成的电路,这种电路对于电流来说电阻为零。从零开始设计这些电路提供了极大的灵活性,向实现全面的量子计算机又走进了一步,另一方面,从半导体材料比如超高纯度硅中发现的量子比特为量子计算提供了很好的性能,比如较长的量子存储时间和更快的两个量子比特逻辑门。这些优点也有一定的限制,但是这些限制引起了半导体领域的创造性的解决方案。 物理科学实验室和马里兰大学帕克分校的Yun-Pil Shim和Charles Tahan也在探索来源于半导体量子的创意对设计超导量子计算机更好的方法是否有用,首先第一步,他们想要对最先进的超导量子比特应用新颖的控制方法,他们发现可以通过使用从半导体量子比特领域发展而来的解决方案,消除最昂贵的控制开销之一的微波源。值得注意的是,他们发现了一个更高效地超导量子比特的实现方法,使得比原始的半导体方法更容易实现。 “如果可以在人造超导电路上模拟半导体量子的属性,就可以两全其美,” Tahan说,“在海量参数中,有时候自然是最佳的指南。” 量子比特可以在许多不同的物理平台上实现,比如超导电路或电子自旋。自选是粒子的量子特性,物理学家通常认为粒子是小的磁体,可以指向外加磁场的方向,这导致了量子0和1的叠加态,这是量子比特的关键特征。在一些系统中,因为这些自旋量子比特不受常见的噪声源如电场的影响,所以能够鲁棒地携带量子信息。 自旋和超导量子比特以相似的方式控制,考虑到量子比特逻辑门,微波射线能够驱动两者的两个量子位之间的转换。但是半导体自旋量子比特也是不同的,他们通常与环境有着弱耦合,引起长的记忆时间但是缓慢的量子逻辑门。另外,自旋量子比特非常小,使得他们易受临近自旋的影响。 通过研发“全电气”的方案实现量子计算,可以解决以上两个问题,这种方法使用多个物理自旋代表一个量子比特,这种“经过编码”的量子比特操作由物理自旋之间的成对的相互作用完成。每一个量子比特编码至少需要三个自旋电子,需要大量的物理脉冲实现一个编码的逻辑门,很显然这对于量子计算来说代价太大了,特别是脉冲不是完美的时候。 Shim和Tahan表示编码的量子的方法比特甚至比超导量子比特更好。事实上,他们发现称为transmons或fluxmons的超导量子位可以单独调整,每个编码量子比特仅仅需要两个物理量子比特。更重要的是,编码逻辑门的时间和错误率并没有改变很多。举个例子来说,受控非门在半导体自旋中大概需要20对量子比特作用才能完成,Shim和Tahan表示相似的二量子比特门仅仅需要两个二量子比特脉冲就能实现,这意味着所有的量子比特逻辑门可以由快速的直流脉冲实现,而不需要依赖于微博激发的量子比特旋转。 文章的作者称他们的方案可以由目前的超导量子比特和控制方法实现,但是仍然存在一些开放性的问题,编码方案中,初始化量子比特可能是噪声,无处不在的“transmon”量子比特性能可能被新型的“fluxmon”或 “fluxonium”量子比特类型超过。 量子计算机必须保存外部干扰的量子比特一个计算进程的时间,尽管超导量子比特的质量发展很快(量子比特的生存期超过了100微秒,远远超过十年前的10纳秒),量子比特逻辑门错误率仍然受金属、绝缘体和整合这些设备的接口的损耗的限制。这些同样限制了提出的编码方案的性能,在这些基础设备问题上还有巨大的进步空间。 通往全面量子计算的道路上的一个关、关键目标是“容错”量子纠错的示范,在一个包含由许多物理量子比特的逻辑量子比特上重复纠错能够降低物理量子逻辑门的错误率。去除微波控制的需求和其他量子编码方案的优势,可以很容易地用超导量子比特实现逻辑量子比特,虽然作者相信这代表着进步,他们建议近距离关注自旋量子比特可以获得额外的发展进步