伯纳尔双层石墨烯:零/低磁场下半导体量子比特平台的潜力巨大

研究背景

本征的谷自由度使得双层石墨烯（BLG）成为半导体量子比特的独特平台。单载流子量子点（QD）基态表现出双重简并性，其中构成克莱默对的两个态具有相反的自旋和谷量子数。由于谷相关的贝里曲率，外加的垂直磁场破坏了该基态的时间反演对称性，量子比特可以被编码在自旋-谷子空间中。克莱默态受到已知的自旋和谷混合机制的保护，因为混合要求同时改变这两个量子数。

在此，瑞士苏黎世联邦理工学院Artem O. Denisov，Hadrien Duprez等在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Spin–valley protected Kramers pair in bilayer graphene”的最新论文。他们在伯纳尔双层石墨烯中制造了一个可调的量子点器件，并测量了克莱默态的自旋-谷弛豫时间为38秒，在30mK下，比纯自旋阻挡态的0.4秒长两个数量级。我们还展示了本征的凯恩-梅尔自旋-轨道分裂使得即使在零磁场下，也能通过单次读取实现克莱默双重态的读取，且保真度超过99%。

如果这些长寿命的克莱默态还具有长的相干时间，并且可以有效操作，那么BLG中的电场定义量子点可能作为长寿命的半导体量子比特，超越自旋量子比特范式。

研究亮点

1）实验首次在伯纳尔双层石墨烯（BLG）中实现了可调电场定义的量子点（QD），并成功测量了自旋-谷弛豫时间。研究表明，克莱默态的自旋-谷弛豫时间在30mK下为38秒，比纯自旋弛豫时间（0.4秒）长两个数量级。

2）实验通过制造并调节量子点器件，利用电场精确控制自旋和谷自由度的耦合，研究了在小磁场或零磁场下的量子比特弛豫行为。结果表明，BLG中由于较低的谷混合率，谷自由度的弛豫时间远长于自旋自由度，证明了BLG作为半导体量子比特平台的潜力。

3）实验进一步展示了凯恩-梅尔自旋-轨道分裂效应，在零磁场下实现了高保真度的克莱默双重态单次读取，保真度超过99%。这表明BLG中的自旋-谷量子比特可以在不需要外加磁场的情况下实现有效的单次读取，并具有较长的寿命。

图文解读

图1：弛豫时间的设备和脉冲协议

图2：单次能量谱分析

图3：区分不同的弛豫通道

总结展望

本文的研究展示了伯纳尔双层石墨烯（BLG）在低磁场或零磁场下作为半导体量子比特平台的巨大潜力，尤其是其自旋-谷量子比特的长弛豫时间和高保真度读取性能。通过利用BLG中的自旋-轨道耦合和谷度自由度，研究表明BLG量子点（QD）可以实现优异的量子比特操作性能，并且该平台具备减少电荷噪声的优势，如通过使用无悬挂键的hBN材料来改善噪声问题。此外，BLG自旋-轨道耦合较弱，相比于传统半导体平台，能够有效避免自旋相干时间受电荷噪声的限制。研究还指出，如何操作谷自由度仍是一个挑战，未来可以通过自旋-谷交换相互作用或电子自旋共振技术来实现谷度自由度的有效操控，这为实现高效的量子信息处理和量子比特操作提供了新的思路。综合来看，BLG作为量子计算的材料平台具有长相干时间、低噪声和可调控的优势，有望推动量子信息科学的发展，并为量子计算机的实现奠定基础。

原文详情

Denisov, A.O., Reckova, V., Cances, S. et al. Spin–valley protected Kramers pair in bilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01858-8