相干控制物質(zhì)的量子態(tài)的能力，是現(xiàn)代量子技術(shù)（包括量子計(jì)算和量子模擬）的基石。實(shí)現(xiàn)這種控制的關(guān)鍵要素是對(duì)量子干涉現(xiàn)象的精確操縱，尤其是在避免的能級(jí)交叉點(diǎn)附近。這些交叉點(diǎn)通常受朗道-齊納-斯蒂克爾伯格-馬約拉納（LZSM）機(jī)制支配，對(duì)于快速可靠的狀態(tài)操縱至關(guān)重要。雖然量子干涉在軌道系統(tǒng)中得到了廣泛研究，但在表面原子級(jí)自旋系統(tǒng)——它們有望提供更長(zhǎng)的相干時(shí)間——中實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的量子干涉，長(zhǎng)期以來(lái)一直是一個(gè)主要障礙。然而，發(fā)表在《自然通訊》的論文成功展示了表面原子自旋中 LZSM 量子干涉的全電學(xué)控制，標(biāo)志著朝著可擴(kuò)展的固態(tài)量子處理器邁出了重要一步。

量子干涉和避免交叉的關(guān)鍵作用

在量子力學(xué)中，干涉源于量子路徑的疊加。當(dāng)一個(gè)量子系統(tǒng)被驅(qū)動(dòng)穿過(guò)一個(gè)避免的能級(jí)交叉點(diǎn)時(shí)，其狀態(tài)演化由 LZSM 機(jī)制描述。這個(gè)過(guò)程涉及兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷，它們的間隔被周期性地調(diào)制。當(dāng)系統(tǒng)穿過(guò)交叉點(diǎn)時(shí)，量子態(tài)有“隧道穿梭”到另一個(gè)能級(jí)的有限概率（朗道-齊納躍遷）。

至關(guān)重要的是，如果系統(tǒng)被來(lái)回驅(qū)動(dòng)，狀態(tài)可以遵循多條路徑。每條路徑上積累的相位差——?jiǎng)恿W(xué)相位和幾何（貝里）相位的組合——決定了這兩條路徑是相長(zhǎng)干涉還是相消干涉。這導(dǎo)致了獨(dú)特的 LZSM 干涉圖樣，它為系統(tǒng)的能級(jí)圖景及其與外部環(huán)境的耦合提供了一個(gè)靈敏的探針。

控制這種干涉圖樣等同于控制量子態(tài)本身。對(duì)于實(shí)用的量子計(jì)算而言，這種控制必須是快速、精確且電學(xué)可尋址的，以便與傳統(tǒng)電子器件集成。

突破：利用 STM 和電場(chǎng)

實(shí)現(xiàn)電可調(diào)量子干涉的研究，通過(guò)將掃描隧道顯微鏡（STM）的原子精度與 LZSM 干涉測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，克服了局部、相干控制的挑戰(zhàn)。該裝置通常涉及一個(gè)放置在絕緣薄膜上的單個(gè)磁性原子，絕緣薄膜的作用是將原子自旋與導(dǎo)電基底解耦，從而延長(zhǎng)其相干時(shí)間。

關(guān)鍵創(chuàng)新在于使用 STM 隧道結(jié)偏置電壓(Vbias)來(lái)調(diào)制自旋的能級(jí)。通過(guò)在隧道結(jié)上施加一個(gè)隨時(shí)間變化的電壓，研究人員實(shí)現(xiàn)了雙重操縱：

1. 電場(chǎng)對(duì)磁相互作用的調(diào)制：STM 尖端和表面原子之間強(qiáng)大、局域的電場(chǎng)直接調(diào)制了尖端自旋和表面原子自旋之間原子級(jí)受限的磁相互作用。正是這種磁相互作用造成了避免交叉點(diǎn)的能級(jí)分裂。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓，研究人員有效地調(diào)節(jié)了能隙大小，從而調(diào)制了能級(jí)。
2. 驅(qū)動(dòng)穿過(guò)反交叉點(diǎn)：通過(guò)施加隨時(shí)間變化（通常是正弦波）的Vbias，能級(jí)間隔被周期性地驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致自旋態(tài)重復(fù)且快速地穿過(guò)避免的能級(jí)反交叉點(diǎn)。這驅(qū)動(dòng)了 LZSM 循環(huán)。

隨后，利用自旋極化 STM 尖端對(duì)結(jié)果量子干涉進(jìn)行磁電阻檢測(cè)，測(cè)量與自旋態(tài)布居變化相對(duì)應(yīng)的隧道電流變化。

觀測(cè)特征與物理見(jiàn)解

實(shí)驗(yàn)得到了豐富而復(fù)雜的LZSM干涉譜，揭示了幾個(gè)重要的物理見(jiàn)解：

• 1. 多光子共振和干涉圖樣

LZSM 圖樣表現(xiàn)出明顯的多光子共振，這是一個(gè)強(qiáng)驅(qū)動(dòng)量子系統(tǒng)的特征。觀測(cè)到的干涉條紋是自旋態(tài)在周期性驅(qū)動(dòng)過(guò)程中可以遵循的不同路徑之間量子干涉的直接體現(xiàn)。測(cè)量和繪制這些條紋的能力表明，在電學(xué)操縱過(guò)程中保持了高度的相干性。

• 2. 自旋轉(zhuǎn)移力矩（STT）的作用

一個(gè)特別引人注目的特征是 LZSM 干涉圖樣中觀察到的不對(duì)稱性。這種不對(duì)稱性歸因于能級(jí)調(diào)制（期望的 LZSM 效應(yīng)）與隧道電子的自旋轉(zhuǎn)移力矩（STT）之間的競(jìng)爭(zhēng)。

• LZSM 干涉是由能級(jí)調(diào)制驅(qū)動(dòng)的完全相干過(guò)程。
• 自旋轉(zhuǎn)移力矩是一個(gè)非相干過(guò)程，隧道電子將角動(dòng)量傳遞給原子自旋，引起非絕熱躍遷。

觀測(cè)到的不對(duì)稱性提供了對(duì)隧道電流影響自旋動(dòng)力學(xué)的定量測(cè)量，這對(duì)于優(yōu)化器件操作、在保持電學(xué)控制的同時(shí)最小化退相干至關(guān)重要。

• 3. 耦合自旋中的多體效應(yīng)

該技術(shù)不限于單自旋。通過(guò)組裝和研究相互作用的自旋對(duì)，研究人員將 LZSM 干涉測(cè)量擴(kuò)展到了多體狀態(tài)。耦合自旋的多能級(jí) LZSM 譜顯示出獨(dú)特的干涉圖樣，這些圖樣高度依賴于它們的多體能級(jí)圖景。此外，由于自旋之間的磁耦合也由局部環(huán)境（以及尖端的影響）介導(dǎo)，電可調(diào)性可以擴(kuò)展到控制相互作用強(qiáng)度本身。這種能力——用電場(chǎng)控制單自旋動(dòng)力學(xué)和自旋間耦合——是實(shí)現(xiàn)表面雙量子比特操作的關(guān)鍵一步。

基于自旋的量子處理器的未來(lái)展望

表面原子自旋電可調(diào)量子干涉的演示是固態(tài)量子信息處理的一個(gè)范式轉(zhuǎn)變。

• 全電學(xué)量子操縱：整個(gè)過(guò)程由電信號(hào)驅(qū)動(dòng)，消除了通常進(jìn)行電子自旋共振（ESR）技術(shù)所需的大型、高頻磁場(chǎng)或微波天線。這完全符合創(chuàng)建集成化、可擴(kuò)展量子電路的目標(biāo)。
• 高相干性和可尋址性：絕緣表面上的原子自旋提供了天然的長(zhǎng)相干時(shí)間，而 STM 平臺(tái)則提供了用于單個(gè)量子比特尋址和組裝的極限空間分辨率。
• 量子比特操作的基石：LZSM 干涉本身可以被視為一種量子門，特別是一種高度相干的單量子比特旋轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)干涉圖樣的能力意味著研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子態(tài)的基本控制，為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的量子邏輯門鋪平了道路。

總而言之，這項(xiàng)研究成功地彌合了原子尺度物理學(xué)與實(shí)用量子控制之間的鴻溝。通過(guò)利用 STM 的精細(xì)精度和電場(chǎng)的力量來(lái)操縱量子路徑，它為構(gòu)建下一代快速、相干和高度集成的基于自旋的量子處理器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。