混合电子-核自旋量子比特的量子浴退相干

实现可扩展固态量子计算面临的一个主要问题是克服退相干——即量子比特中编码的相位信息随着量子比特与环境的相互作用而丢失的过程。由于环境自由度数量巨大，准确计算退相干时间 $T_2$ 具有挑战性，尤其是当量子比特与环境高度相关时。混合或电子-核混合自旋量子比特（例如硅中的施主）具有“最佳工作点”（OWPs），这些是在磁场中减少退相干的甜点。先前对OWPs附近 $T_2$ 急剧变化的分析基于对经典噪声的不敏感性，尽管混合量子比特位于高度相关的量子环境中，例如 $^{29}$Si 杂质的核自旋浴。这对退相干机制的理解有限，并对 $T_2$ 给出了不可靠的预测。本文给出了量子比特-浴动力学的量子多体计算，其（i）得出的混合量子比特 $T_2$ 在多个体制下与实验极为吻合，（ii）阐明了核自旋浴的多体性质，以及（iii）揭示了量子浴与经典场退相干之间的显著差异。为实现这些，调整了团簇关联展开以包含电子-核态混合。此外，在实验支持下进行了分析以表征作为混合量子比特的铋施主的核自旋浴，推导了 $T_2$ 的简单解析公式，其预测与实验一致，并且将已建立的动力学解耦方法与在OWPs附近操作相结合，以最大化 $T_2$。最后，研究了靠近混合量子比特的 $^{29}$Si 自旋的退相干，以确定其用作量子寄存器的可行性。