本源量子與中國(guó)科大合作在硅基半導(dǎo)體量子比特調(diào)控上取得新進(jìn)展

當(dāng)前，量子計(jì)算發(fā)展進(jìn)入飛速期，各國(guó)研究團(tuán)隊(duì)分別通過(guò)超導(dǎo)電路、離子阱、半導(dǎo)體、金剛石色心，或者光子等各種介質(zhì)來(lái)構(gòu)建量子比特體系，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。在這些技術(shù)思路中，硅基自旋量子比特具有較長(zhǎng)的量子退相干時(shí)間以及高操控保真度，并且可以很好地與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝技術(shù)兼容，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的有力候選者。如果能夠用半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)的后續(xù)部署將更加順利。

在半導(dǎo)體量子計(jì)算研究中，量子比特的調(diào)控尤為重要。近日，國(guó)內(nèi)唯一同時(shí)開(kāi)展低溫超導(dǎo)和硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算工程化的本源量子團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科大及國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)合作，在硅基半導(dǎo)體量子芯片研究中取得重要進(jìn)展。該研究實(shí)現(xiàn)了在硅基鍺空穴量子點(diǎn)中自旋軌道耦合強(qiáng)度的高效調(diào)控，這對(duì)該體系實(shí)現(xiàn)自旋軌道開(kāi)關(guān)以及提升自旋量子比特的品質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義。研究成果日前在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際應(yīng)用物理知名期刊《應(yīng)用物理評(píng)論》上。

高操控保真度要求比特在擁有較長(zhǎng)的量子退相干時(shí)間的同時(shí)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(shí)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機(jī)制實(shí)現(xiàn)自旋比特翻轉(zhuǎn)，具備較快的操控速率。同時(shí)，比特的操控速率與體系內(nèi)的自旋軌道耦合強(qiáng)度成正相關(guān)，因此對(duì)體系內(nèi)自旋軌道耦合效應(yīng)的研究，可以為實(shí)現(xiàn)自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基礎(chǔ)。

研究人員利用一維鍺納米線(xiàn)具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合相互作用的特點(diǎn)，近年來(lái)開(kāi)展了一系列系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)測(cè)量雙量子點(diǎn)中自旋阻塞區(qū)間漏電流的各向異性，首次在硅基鍺納米線(xiàn)的空穴量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)了朗道g因子張量和自旋軌道耦合場(chǎng)方向的測(cè)量與調(diào)控[Nano Letters 21, 3835-3842 (2021)]。在此基礎(chǔ)上，2022年課題組利用電偶極自旋共振實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上最快速率的自旋量子比特操控，翻轉(zhuǎn)速率可達(dá)540MHz[Nature Communications 13, 206 (2022)]。

為了進(jìn)一步研究硅基鍺納米線(xiàn)空穴體系中自旋軌道耦合機(jī)制并實(shí)現(xiàn)高度的可調(diào)性，課題組系統(tǒng)地測(cè)量了自旋阻塞區(qū)間漏電流隨外磁場(chǎng)大小和量子點(diǎn)能級(jí)失諧量的變化關(guān)系，通過(guò)理論建模和數(shù)值分析，得到了體系內(nèi)的自旋軌道強(qiáng)度。通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓并改變雙量子點(diǎn)間的耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了體系中自旋軌道耦合強(qiáng)度的大范圍調(diào)控。同時(shí)研究人員指出，在近期實(shí)現(xiàn)的新型圖形化可控生長(zhǎng)的一維鍺納米線(xiàn)體系中，由于其具有因界面不對(duì)稱(chēng)引起的Dresselhaus自旋軌道耦合以及可以高效調(diào)節(jié)的直接Rashba自旋軌道耦合，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)體系內(nèi)的自旋耦合強(qiáng)度并改變納米線(xiàn)的生長(zhǎng)方向，既可以在動(dòng)量空間找到一個(gè)自旋軌道耦合完全關(guān)閉的位置，也可以利用自旋軌道開(kāi)關(guān)找到在實(shí)現(xiàn)比特超快操控速率的同時(shí)，使得比特保持較長(zhǎng)的量子退相干時(shí)間的最佳操控點(diǎn)（sweet spot）。這一發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)比特高保真度操控以及提升自旋量子比特的品質(zhì)提供了重要的研究基礎(chǔ)。

圖. (a)自旋軌道耦合長(zhǎng)度（自旋軌道耦合強(qiáng)度的一種表示）隨柵極電壓VC的變化關(guān)系，(b)在動(dòng)量空間中，不同機(jī)制引起的自旋軌道場(chǎng)用不同顏色的箭頭表示：藍(lán)色，直接Rashba自旋軌道場(chǎng)（BR），綠色，Dresselhaus自旋軌道場(chǎng)（BD），紅色，總自旋軌道場(chǎng)（Btotal）。當(dāng)BR和BD的幅值相等且方向相反時(shí)，紅色星星處的總自旋軌道耦合場(chǎng)為零，自旋軌道耦合會(huì)被關(guān)閉。

本次研究結(jié)果表明，利用電偶極自旋共振機(jī)制可實(shí)現(xiàn)硅基自旋量子比特高效調(diào)控，也為實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算奠定了重要的研究基礎(chǔ)。