研究背景

本征的谷自由度使得雙層石墨烯（BLG）成為半導(dǎo)體量子比特的獨特平臺。單載流子量子點（QD）基態(tài)表現(xiàn)出雙重簡并性，其中構(gòu)成克萊默對的兩個態(tài)具有相反的自旋和谷量子數(shù)。由于谷相關(guān)的貝里曲率，外加的垂直磁場破壞了該基態(tài)的時間反演對稱性，量子比特可以被編碼在自旋-谷子空間中。克萊默態(tài)受到已知的自旋和谷混合機(jī)制的保護(hù)，因為混合要求同時改變這兩個量子數(shù)。

在此，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Artem O. Denisov，Hadrien Duprez等在“Nature Nanotechnology”期刊上發(fā)表了題為“Spin–valley protected Kramers pair in bilayer graphene”的最新論文。他們在伯納爾雙層石墨烯中制造了一個可調(diào)的量子點器件，并測量了克萊默態(tài)的自旋-谷弛豫時間為38秒，在30mK下，比純自旋阻擋態(tài)的0.4秒長兩個數(shù)量級。我們還展示了本征的凱恩-梅爾自旋-軌道分裂使得即使在零磁場下，也能通過單次讀取實現(xiàn)克萊默雙重態(tài)的讀取，且保真度超過99%。

如果這些長壽命的克萊默態(tài)還具有長的相干時間，并且可以有效操作，那么BLG中的電場定義量子點可能作為長壽命的半導(dǎo)體量子比特，超越自旋量子比特范式。

研究亮點

1）實驗首次在伯納爾雙層石墨烯（BLG）中實現(xiàn)了可調(diào)電場定義的量子點（QD），并成功測量了自旋-谷弛豫時間。研究表明，克萊默態(tài)的自旋-谷弛豫時間在30mK下為38秒，比純自旋弛豫時間（0.4秒）長兩個數(shù)量級。

2）實驗通過制造并調(diào)節(jié)量子點器件，利用電場精確控制自旋和谷自由度的耦合，研究了在小磁場或零磁場下的量子比特弛豫行為。結(jié)果表明，BLG中由于較低的谷混合率，谷自由度的弛豫時間遠(yuǎn)長于自旋自由度，證明了BLG作為半導(dǎo)體量子比特平臺的潛力。

3）實驗進(jìn)一步展示了凱恩-梅爾自旋-軌道分裂效應(yīng)，在零磁場下實現(xiàn)了高保真度的克萊默雙重態(tài)單次讀取，保真度超過99%。這表明BLG中的自旋-谷量子比特可以在不需要外加磁場的情況下實現(xiàn)有效的單次讀取，并具有較長的壽命。

圖文解讀

圖1：弛豫時間的設(shè)備和脈沖協(xié)議

圖2：單次能量譜分析

圖3：區(qū)分不同的弛豫通道

總結(jié)展望

本文的研究展示了伯納爾雙層石墨烯（BLG）在低磁場或零磁場下作為半導(dǎo)體量子比特平臺的巨大潛力，尤其是其自旋-谷量子比特的長弛豫時間和高保真度讀取性能。通過利用BLG中的自旋-軌道耦合和谷度自由度，研究表明BLG量子點（QD）可以實現(xiàn)優(yōu)異的量子比特操作性能，并且該平臺具備減少電荷噪聲的優(yōu)勢，如通過使用無懸掛鍵的hBN材料來改善噪聲問題。此外，BLG自旋-軌道耦合較弱，相比于傳統(tǒng)半導(dǎo)體平臺，能夠有效避免自旋相干時間受電荷噪聲的限制。研究還指出，如何操作谷自由度仍是一個挑戰(zhàn)，未來可以通過自旋-谷交換相互作用或電子自旋共振技術(shù)來實現(xiàn)谷度自由度的有效操控，這為實現(xiàn)高效的量子信息處理和量子比特操作提供了新的思路。綜合來看，BLG作為量子計算的材料平臺具有長相干時間、低噪聲和可調(diào)控的優(yōu)勢，有望推動量子信息科學(xué)的發(fā)展，并為量子計算機(jī)的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

原文詳情

Denisov, A.O., Reckova, V., Cances, S. et al. Spin–valley protected Kramers pair in bilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01858-8