《自然通讯》重磅：原子自旋量子干涉的电学调控

相干控制物质的量子态的能力，是现代量子技术（包括量子计算和量子模拟）的基石。实现这种控制的关键要素是对量子干涉现象的精确操纵，尤其是在避免的能级交叉点附近。这些交叉点通常受朗道-齐纳-斯蒂克尔伯格-马约拉纳（LZSM）机制支配，对于快速可靠的状态操纵至关重要。虽然量子干涉在轨道系统中得到了广泛研究，但在表面原子级自旋系统——它们有望提供更长的相干时间——中实现可调谐的量子干涉，长期以来一直是一个主要障碍。然而，发表在《自然通讯》的论文成功展示了表面原子自旋中 LZSM 量子干涉的全电学控制，标志着朝着可扩展的固态量子处理器迈出了重要一步。

量子干涉和避免交叉的关键作用

在量子力学中，干涉源于量子路径的叠加。当一个量子系统被驱动穿过一个避免的能级交叉点时，其状态演化由 LZSM 机制描述。这个过程涉及两个能级之间的跃迁，它们的间隔被周期性地调制。当系统穿过交叉点时，量子态有“隧道穿梭”到另一个能级的有限概率（朗道-齐纳跃迁）。

至关重要的是，如果系统被来回驱动，状态可以遵循多条路径。每条路径上积累的相位差——动力学相位和几何（贝里）相位的组合——决定了这两条路径是相长干涉还是相消干涉。这导致了独特的 LZSM 干涉图样，它为系统的能级图景及其与外部环境的耦合提供了一个灵敏的探针。

控制这种干涉图样等同于控制量子态本身。对于实用的量子计算而言，这种控制必须是快速、精确且电学可寻址的，以便与传统电子器件集成。

突破：利用 STM 和电场

实现电可调量子干涉的研究，通过将扫描隧道显微镜（STM）的原子精度与 LZSM 干涉测量技术相结合，克服了局部、相干控制的挑战。该装置通常涉及一个放置在绝缘薄膜上的单个磁性原子，绝缘薄膜的作用是将原子自旋与导电基底解耦，从而延长其相干时间。

关键创新在于使用 STM 隧道结偏置电压(Vbias)来调制自旋的能级。通过在隧道结上施加一个随时间变化的电压，研究人员实现了双重操纵：

1. 电场对磁相互作用的调制：STM 尖端和表面原子之间强大、局域的电场直接调制了尖端自旋和表面原子自旋之间原子级受限的磁相互作用。正是这种磁相互作用造成了避免交叉点的能级分裂。通过调节电压，研究人员有效地调节了能隙大小，从而调制了能级。
2. 驱动穿过反交叉点：通过施加随时间变化（通常是正弦波）的Vbias，能级间隔被周期性地驱动，导致自旋态重复且快速地穿过避免的能级反交叉点。这驱动了 LZSM 循环。

随后，利用自旋极化 STM 尖端对结果量子干涉进行磁电阻检测，测量与自旋态布居变化相对应的隧道电流变化。

观测特征与物理见解

实验得到了丰富而复杂的LZSM干涉谱，揭示了几个重要的物理见解：

• 1. 多光子共振和干涉图样

LZSM 图样表现出明显的多光子共振，这是一个强驱动量子系统的特征。观测到的干涉条纹是自旋态在周期性驱动过程中可以遵循的不同路径之间量子干涉的直接体现。测量和绘制这些条纹的能力表明，在电学操纵过程中保持了高度的相干性。

• 2. 自旋转移力矩（STT）的作用

一个特别引人注目的特征是 LZSM 干涉图样中观察到的不对称性。这种不对称性归因于能级调制（期望的 LZSM 效应）与隧道电子的自旋转移力矩（STT）之间的竞争。

• LZSM 干涉是由能级调制驱动的完全相干过程。
• 自旋转移力矩是一个非相干过程，隧道电子将角动量传递给原子自旋，引起非绝热跃迁。

观测到的不对称性提供了对隧道电流影响自旋动力学的定量测量，这对于优化器件操作、在保持电学控制的同时最小化退相干至关重要。

• 3. 耦合自旋中的多体效应

该技术不限于单自旋。通过组装和研究相互作用的自旋对，研究人员将 LZSM 干涉测量扩展到了多体状态。耦合自旋的多能级 LZSM 谱显示出独特的干涉图样，这些图样高度依赖于它们的多体能级图景。此外，由于自旋之间的磁耦合也由局部环境（以及尖端的影响）介导，电可调性可以扩展到控制相互作用强度本身。这种能力——用电场控制单自旋动力学和自旋间耦合——是实现表面双量子比特操作的关键一步。

基于自旋的量子处理器的未来展望

表面原子自旋电可调量子干涉的演示是固态量子信息处理的一个范式转变。

• 全电学量子操纵：整个过程由电信号驱动，消除了通常进行电子自旋共振（ESR）技术所需的大型、高频磁场或微波天线。这完全符合创建集成化、可扩展量子电路的目标。
• 高相干性和可寻址性：绝缘表面上的原子自旋提供了天然的长相干时间，而 STM 平台则提供了用于单个量子比特寻址和组装的极限空间分辨率。
• 量子比特操作的基石：LZSM 干涉本身可以被视为一种量子门，特别是一种高度相干的单量子比特旋转。调节干涉图样的能力意味着研究人员已经实现了对量子态的基本控制，为设计和实现更复杂的量子逻辑门铺平了道路。

总而言之，这项研究成功地弥合了原子尺度物理学与实用量子控制之间的鸿沟。通过利用 STM 的精细精度和电场的力量来操纵量子路径，它为构建下一代快速、相干和高度集成的基于自旋的量子处理器奠定了坚实的基础。