硅的量子极限：硅架构中的量子计算与退相干

半导体架构因其庞大的工业基础和潜在的扩展性，在量子信息处理 (QIP) 应用中展现出广阔前景。特别是硅中的电子自旋，可能是 QIP 以及自旋电子学 (spintronics) 应用的极佳架构。虽然电子电荷易于通过带电栅极操控，但自旋自由度却能与电荷涨落良好隔离。固有的小自旋 - 轨道耦合以及零自旋 Si 同位素的存在，有利于实现长的单自旋量子比特相干时间。本文研究了由施主、量子阱和量子点引起的硅中局域电子态的弛豫性质，包括声子和 Rashba 自旋 - 轨道耦合效应。我们的分析受到硅复杂的多能谷能带结构以及此前未在硅量子阱中探讨的物理问题的阻碍。我们发现，硅中的电子自旋，尤其是应变硅中的电子自旋，具有优异的退相干特性。在可能的情况下，我们将理论与实验进行了比较以验证我们的理论。我们超越了量子计算机中的相干性问题，进一步探讨了控制和测量问题。正是导致半导体架构中自旋弛豫时间极长的因素，使得自旋测量变得异常困难。为解决这一问题，我们提出了一种新的自旋读出方案，该方案还具有自动自旋初始化的附加优势，这是量子计算和量子纠错的关键组成部分。我们的结果代表了通往设计和构建基于硅的量子计算机道路上的重要实践里程碑。