近日，德俄科学家合作研发一种自旋量子位的声学操控方法，展示了表面声波的应变场与碳化硅中硅空位的激发态自旋之间的相互作用。新方法有望改善电子自旋的量子控制，并为微型量子设备高效处理量子信息提供新的可能性。

色心是晶体中的晶格缺陷，可以捕获一个或多个额外的电子。被捕获的电子通常会吸收可见光谱中的光，因此，透明材料（例如金刚石）会通过这些中心着色。色心通常与某些磁性有关，这使它们在量子技术应用中很有前途，例如量子存储器或量子传感器。科学上的挑战在于开发有效的方法来控制电子的磁量子特性，或者说控制它们的自旋状态。近年来，碳化硅色心自旋操控成为新兴的研究方向。

最近，德国保罗德鲁德固态电子研究所、亥姆赫兹德累斯顿罗森多夫研究中心和俄罗斯科学院艾菲物理技术研究所的联合研究团队在《科学进展》杂志上发表论文，展示了表面声波的应变场与碳化硅中硅空位的激发态自旋之间的巨大相互作用。这种基态和激发态自旋的相干声学操纵为高效的量子信息协议和相干传感提供了新的机会。

艾菲物理技术研究所的亚历山大·波沙金斯基博士介绍说：“人们可以把这种控制看作是用普通的电子调音器给吉他调音。只是我们的实验复杂一点：磁场将电子自旋的共振频率调整为声波的频率，而激光则激发色心在基态和激发态之间跃迁。”这些光学跃迁发挥着重要作用：它们通过记录电子返回基态时发射的光量子来实现对自旋态的光学检测。由于晶格的周期性振荡与被困在色心中的电子之间的强烈相互作用，科学家们设法通过声波同时控制基态和激发态的电子自旋。

保罗德鲁德研究所的阿尔贝托·埃尔南德斯-明格斯博士解释说：“陀螺运动时，旋进是旋转轴方向的变化。我们可以将电子自旋视为一个微型陀螺仪，这样进动轴受到声波的影响，并且每次色心在基态和激发态之间跃迁时都会改变其方向。由于色心处于激发态的时间长度是随机的，因此在基态和激发态的进动轴取向的巨大差异意味着电子自旋的取向以及存储在其中的量子信息以不受控制的方式变化。”这种变化使得电子自旋中存储的量子信息在多次跃迁后会丢失。

为了防止这种情况出现，联合研究团队开发出了一种新方法：通过适当调整色心的共振频率，使得自旋的进动轴在基态和激发态共线。即自旋沿明确定义的方向保持其进动方向，即使它们在基态和激发态之间来回跳跃。在这种特殊条件下，存储在电子自旋中的量子信息与激光引起的基态和激发态之间的跳跃解耦。这种声学操纵技术为在尺寸类似于微芯片的量子设备中处理量子信息提供了新的可能性。它还可能对生产成本产生巨大影响，进而推动面向大众的量子技术的可用性。

文/科技日报记者 李山

编辑/范辉