研究背景

本征的谷自由度使得雙層石墨烯（BLG）成為半導體量子比特的獨特平臺。單載流子量子點（QD）基態表現出雙重簡并性，其中構成克萊默對的兩個態具有相反的自旋和谷量子數。由于谷相關的貝里曲率，外加的垂直磁場破壞了該基態的時間反演對稱性，量子比特可以被編碼在自旋-谷子空間中?？巳R默態受到已知的自旋和谷混合機制的保護，因為混合要求同時改變這兩個量子數。

在此，瑞士蘇黎世聯邦理工學院Artem O. Denisov，Hadrien Duprez等在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Spin–valley protected Kramers pair in bilayer graphene”的最新論文。他們在伯納爾雙層石墨烯中制造了一個可調的量子點器件，并測量了克萊默態的自旋-谷弛豫時間為38秒，在30mK下，比純自旋阻擋態的0.4秒長兩個數量級。我們還展示了本征的凱恩-梅爾自旋-軌道分裂使得即使在零磁場下，也能通過單次讀取實現克萊默雙重態的讀取，且保真度超過99%。

如果這些長壽命的克萊默態還具有長的相干時間，并且可以有效操作，那么BLG中的電場定義量子點可能作為長壽命的半導體量子比特，超越自旋量子比特范式。

研究亮點

1）實驗首次在伯納爾雙層石墨烯（BLG）中實現了可調電場定義的量子點（QD），并成功測量了自旋-谷弛豫時間。研究表明，克萊默態的自旋-谷弛豫時間在30mK下為38秒，比純自旋弛豫時間（0.4秒）長兩個數量級。

2）實驗通過制造并調節量子點器件，利用電場精確控制自旋和谷自由度的耦合，研究了在小磁場或零磁場下的量子比特弛豫行為。結果表明，BLG中由于較低的谷混合率，谷自由度的弛豫時間遠長于自旋自由度，證明了BLG作為半導體量子比特平臺的潛力。

3）實驗進一步展示了凱恩-梅爾自旋-軌道分裂效應，在零磁場下實現了高保真度的克萊默雙重態單次讀取，保真度超過99%。這表明BLG中的自旋-谷量子比特可以在不需要外加磁場的情況下實現有效的單次讀取，并具有較長的壽命。

圖文解讀

圖1：弛豫時間的設備和脈沖協議

圖2：單次能量譜分析

圖3：區分不同的弛豫通道

總結展望

本文的研究展示了伯納爾雙層石墨烯（BLG）在低磁場或零磁場下作為半導體量子比特平臺的巨大潛力，尤其是其自旋-谷量子比特的長弛豫時間和高保真度讀取性能。通過利用BLG中的自旋-軌道耦合和谷度自由度，研究表明BLG量子點（QD）可以實現優異的量子比特操作性能，并且該平臺具備減少電荷噪聲的優勢，如通過使用無懸掛鍵的hBN材料來改善噪聲問題。此外，BLG自旋-軌道耦合較弱，相比于傳統半導體平臺，能夠有效避免自旋相干時間受電荷噪聲的限制。研究還指出，如何操作谷自由度仍是一個挑戰，未來可以通過自旋-谷交換相互作用或電子自旋共振技術來實現谷度自由度的有效操控，這為實現高效的量子信息處理和量子比特操作提供了新的思路。綜合來看，BLG作為量子計算的材料平臺具有長相干時間、低噪聲和可調控的優勢，有望推動量子信息科學的發展，并為量子計算機的實現奠定基礎。

原文詳情

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