中國科大實現(xiàn)硅基半導(dǎo)體自旋量子比特的超快操控
發(fā)布時間：2022-03-17 04:31
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在硅基半導(dǎo)體自旋量子比特操控研究中取得重要進展。該團隊郭國平教授、李海歐研究員與中科院物理所張建軍研究員等人，和美國、澳大利亞的研究人員及本源量子計算公司合作，實現(xiàn)了硅基自旋量子比特的超快操控，其自旋翻轉(zhuǎn)速率超過540MHz，是目前國際上已報道的最高值。研究成果以“Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot”為題，于1月11日在線發(fā)表在國際知名期刊《自然?通訊》上。
硅基半導(dǎo)體自旋量子比特以其長量子退相干時間和高操控保真度，以及其與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝技術(shù)兼容的高可擴展性，成為量子計算研究的核心方向之一。高操控保真度要求比特在擁有較長的量子退相干時間的同時具備更快的操控速率。傳統(tǒng)方案利用電子自旋共振方式實現(xiàn)自旋比特翻轉(zhuǎn)，這種方式的比特操控速率較慢。研究人員發(fā)現(xiàn)，利用電偶極自旋共振可以實現(xiàn)更快速率的自旋比特操控。電偶極自旋共振的一種方案是通過嵌入器件中的微磁體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的“人造自旋軌道耦合”來實現(xiàn)，但這會使自旋量子比特感受到更強的電荷噪聲，從而降低自旋量子比特的退相干時間，同時降低自旋量子比特陣列的平均操控保真度，阻礙硅基自旋量子比特單元的二維擴展。另一種有效方案是使用材料中天然存在的自旋軌道耦合進行自旋量子比特操控。
硅基鍺量子點中的空穴載流子處于P軌道態(tài)，因而天然具有較強的本征自旋軌道耦合效應(yīng)和較弱的超精細相互作用。利用電偶極自旋共振技術(shù)，僅通過單個交變電場即可實現(xiàn)對空穴自旋量子比特的全電學(xué)控制，大大簡化了量子比特的制備工藝，有利于實現(xiàn)硅基自旋量子比特單元的二維擴展。鑒于此，近幾年硅基鍺空穴體系中的自旋軌道耦合研究和實現(xiàn)超快自旋量子比特操控成為該領(lǐng)域關(guān)注的熱點。
自旋軌道耦合場的方向會影響自旋比特操控速率及比特初始化與讀取的保真度。因此，測量并確定自旋軌道耦合場的方向是實現(xiàn)高保真度自旋量子比特的首要任務(wù)。研究組在2021年首次在硅基鍺量子線空穴量子點中實現(xiàn)了朗道g因子張量和自旋軌道耦合場方向的測量與調(diào)控[NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基礎(chǔ)上，李海歐等人進一步優(yōu)化器件性能，在耦合強度高度可調(diào)的雙量子點中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞讀取，觀測到了多能級的電偶極自旋共振譜。通過調(diào)節(jié)和選擇共振譜中所展示的不同自旋翻轉(zhuǎn)模式，實現(xiàn)了自旋翻轉(zhuǎn)速率超過540MHz的自旋量子比特超快操控。研究人員通過建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要貢獻來自于該體系的強自旋軌道耦合效應(yīng)（超短的自旋軌道耦合長度）。研究結(jié)果表明硅基鍺空穴自旋量子比特是實現(xiàn)全電控量子比特操控與擴展的重要候選體系，為實現(xiàn)硅基半導(dǎo)體量子計算奠定了重要研究基礎(chǔ)。
圖1. (a)硅基鍺量子線空穴雙量子點和自旋比特操控示意圖，(b)自旋比特翻轉(zhuǎn)速率隨微波功率增加而增加， (c)微波功率為9dBm時，自旋比特操控速率可達542MHz。
中科院量子信息重點實驗室博士后王柯和博士研究生徐剛（已畢業(yè)）為論文共同第一作者。中科院量子信息重點實驗室郭國平教授、李海歐研究員和中科院物理所張建軍研究員為論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院以及安徽省的資助。李海歐研究員得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者項目的資助。
（文章來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）