En accordant la direction du champ magnétique externe par rapport à l'axe cristallographique de la plaquette de silicium, une amélioration de la durée de vie du spin (temps de relaxation) de plus de deux ordres de grandeur a été signalée dans les points quantiques de silicium. Cette percée a été réalisée par une équipe dirigée par l'académicien Guo Guangcan du CAS Key Laboratory of Quantum Information, USTC, dans laquelle le Pr Guo Guoping, Le professeur Li Hai-Ou avec leurs collègues et Origin Quantum Computing Company Limited. Ce travail a été publié dans Lettres d'examen physique le 23 juin 2020.

Les qubits de spin basés sur des points quantiques en silicium ont été un problème central dans le développement du calcul quantique à grande échelle en raison de son long temps de cohérence et de sa compatibilité avec la technologie moderne des semi-conducteurs. Récemment, le temps de relaxation et le temps de déphasage des qubits de spin développés en Si MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur) et en hétérostructure Si/SiGe ont dépassé les centaines de millisecondes et les centaines de microsecondes, respectivement, résultant en une fidélité de contrôle à un seul qubit de plus de 99,9 % et une fidélité de porte à deux qubits de plus de 98 %. Avec le succès au collège, les laboratoires et les entreprises de l'industrie commencent à s'impliquer dans ce domaine, comme Intel, CEA-Léti, et IMEC. Cependant, l'existence d'états de vallée (un état associé au creux dans une bande électronique particulière) dans les boîtes quantiques de silicium pourrait réduire considérablement le temps de relaxation du spin et le temps de déphasage via le mélange spin-vallée et limiter la fidélité de contrôle des qubits. Il a été rapporté qu'à un certain champ magnétique, le mélange spin-valley pourrait réduire le temps de relaxation du spin à moins d'une milliseconde (voire une microseconde dans certaines conditions), appelé un "point chaud" de relaxation de spin. Lorsque le nombre de qubits augmente, ce phénomène provoquera un grand nombre de "mauvais" qubits et empêchera une extension ultérieure à plus de qubits.

Une méthode traditionnelle pour supprimer les effets néfastes du mélange spin-vallée consiste à augmenter l'ampleur de la division de la vallée et à pousser le qubit si loin que les états de spin et de vallée ne sont plus mélangés. Cependant, étant donné que les états de vallée sont affectés par de multiples facteurs du matériau, qui n'est généralement pas uniforme, l'ampleur de la division de la vallée est difficile à contrôler (en particulier dans l'hétérostructure Si/SiGe). Une approche alternative consiste à contrôler directement l'amplitude du mélange spin-vallée. Il a été rapporté que dans les points quantiques de GaAs, la force du couplage spin-orbite pourrait être ajustée par l'orientation du champ magnétique dans le plan et le temps de relaxation du spin est donc prolongé. Néanmoins, jusque là, il n'y a toujours pas de rapport sur la façon dont la direction du champ magnétique externe affecte la force du mélange spin-vallée dans le silicium.

Pour résoudre ce problème, le professeur Li Hai-Ou, Le professeur Guo Guoping et ses collègues ont fabriqué une boîte quantique Si MOS de haute qualité et ont obtenu une lecture en une seule fois des qubits de spin. Sur la base de cette technique fiable, ils ont étudié l'effet de la force et de l'orientation du champ magnétique externe sur les taux de relaxation de spin. Ils ont trouvé lorsque le champ magnétique externe dans le plan est orienté à un certain angle, le "point chaud" de relaxation de spin pourrait être "refroidi" de deux ordres de grandeur, augmenter le temps de relaxation de moins d'une milliseconde à plus de cent millisecondes. Cette grande variation indique que le mélange spin-vallée est efficacement supprimé, et il jette les bases de futures recherches sur la façon de débarrasser les qubits de spin du mélange spin-valley. Aussi, les chercheurs ont découvert que cette anisotropie pouvait encore être supérieure à deux ordres de grandeur lorsque le champ électrique est varié. Cela suggère que la magnitude d'anisotropie est indépendante du champ électrique dans une certaine plage et qu'elle pourrait être appliquée à un ensemble de qubits contenant différents champs électriques locaux, qui devrait offrir de nouvelles pistes d'optimisation de la lecture, contrôle et extension multi-qubit des qubits de spin à base de silicium.

Ce travail est très apprécié par les arbitres anonymes, qui a dit, "Ce travail apporte une contribution importante pour élucider les phénomènes sous-jacents et résoudre le problème pratique de trouver les conditions de fonctionnement optimales pour exploiter les degrés de liberté de spin dans les boîtes quantiques en silicium, " et " L'étude présentée dans ce manuscrit représente l'une des rares études approfondies réalisées pour l'anisotropie de relaxation de spin dans les QD et fournit de nouvelles façons potentielles de sonder également les propriétés d'anisotropie des mécanismes de mélange de spin inter-vallée et intra-vallée, " et " La compréhension physique de l'interaction de la rotation, les degrés de liberté de la vallée et de l'orbite passent à un niveau supérieur avec ce travail."