Device characterization of SiSiGe double quantum dots using exchange oscillations in Earth's magnetic field
本文证明了 Si/SiGe 双量子点中残余核自旋产生的固有磁场梯度可用于进行交换振荡并在零外加磁场下表征器件参数，从而为无需微磁体或复杂校准的混合半导体-超导体量子比特提供了一种简单、高通量的诊断工具。
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在构建量子计算机的探索过程中，科学家们正在寻找微小的开关，这些开关能够让信息处于叠加态，即同时存在于多种可能性之中。一条极具前景的路径涉及将单个电子捕获在硅的微小阱中，利用它们的自旋——一种使其表现得像微型磁铁的基本属性——作为信息的载体。为了让这些电子自旋能够相互通信并进行计算，研究人员依赖一种被称为交换相互作用（exchange interaction）的力量，这种力量将相邻电子的自旋联系在一起。然而，为了让这些系统可靠运行，环境必须极其安静。任何杂散的磁噪声都可能扰乱信息，导致计算机丢失其记忆。传统上，控制这些自旋需要施加强大的外部磁场，或在芯片上使用微小的定制磁铁。但对于某些结合了硅与超导材料的高级设计而言，即使是微小的磁场也可能破坏脆弱的超导组件，从而在控制与稳定性之间造成难以权衡的困境。
现在，一个研究小组发现了一种绕过这一困境的方法，即利用地球自身的磁场以及硅内部天然、随机的磁噪声来驱动系统。在一项发表于2026年9月的研究中，来自麻省理工学院及其合作者的科学家们展示了一种无需施加任何外部磁场即可表征和控制这些基于硅的量子比特的方法。他们利用了一个双量子点装置，这本质上是一对由硅和硅锗制造的、持有两个电子的微型陷阱。研究人员并没有对抗由硅内部原子核引起的自然磁变化，而是将这些变化转化为了工具。通过精心设计的电脉冲时序，他们能够使两个电子自旋在不同状态之间振荡，利用两个量子点之间微小的、内在的磁差异来驱动运动。
研究人员发现，通过使用特定的电脉冲序列，他们可以将量子信息保持相干（即完整）的时间从短暂的1.17微秒延长到更具实用价值的74.8微秒。这是通过施加多达七十个重聚焦脉冲实现的，这些脉冲有效地抵消了随机噪声，这种技术被称为动力学退耦（dynamical decoupling）。这种相干时间的延长至关重要，因为它为量子计算机在信息退化之前执行计算提供了更多时间。团队还利用这些振荡来绘制设备的“闲置”行为图谱，测量两个电子在应该不进行任何操作时彼此之间的相互作用程度。他们发现，这种不希望出现的相互作用（或残余交换）在整个芯片上各不相同，在操作区域边缘附近较强，而在中心位置较弱。通过测量振荡的相位，他们能够检测出这些发生在数十千赫兹频率下的微小相互作用，并对其进行映射，以寻找最佳的操作位置。
此外，该研究还揭示了当电子间的相互作用增强时系统的行为表现。研究人员观察到，量子态衰减的速率取决于相互作用的强度。他们发现，当相互作用频率在20到40兆赫兹之间时，存在一个衰减率显著增加的宽泛区域。这表明在这些特定的强度下，系统更容易受到噪声的影响或泄漏到其他状态，这一细节对于试图设计稳定量子处理器的工程师来说至关重要。这种无需外部磁铁或复杂校准程序即可检测这些微妙效应的能力，为测试和调优这些设备提供了一种更简单、更直接的方式。这种方法对于结合了硅与超导体的混合系统特别有价值，因为在这些系统中，磁场受到严格限制。通过证明内在磁梯度可以被用于精确的控制和表征，这项工作提供了一种实用的诊断工具，有望加速基于硅的大规模量子计算机的发展。
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