中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)硅基量子計(jì)算自旋量子比特的超快調(diào)控

我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平教授、李海歐教授等人與南科大量子科學(xué)與工程研究院黃培豪助理研究員、中科院物理研究所張建軍研究員以及本源量子計(jì)算有限公司合作，在硅基鍺量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)了自旋量子比特操控速率的電場(chǎng)調(diào)控，以及自旋翻轉(zhuǎn)速率超過(guò)1.2 GHz的自旋量子比特超快操控，該速率是國(guó)際上半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系中已報(bào)道的最高值。該工作對(duì)提升自旋量子比特的品質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義。研究成果以“Ultrafast and Electrically Tunable Rabi Frequency in a Germanium Hut Wire Hole Spin Qubit”為題，于4月26日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際納米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

硅基半導(dǎo)體自旋量子比特以其長(zhǎng)量子退相干時(shí)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(kuò)展性，成為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)研制的重要候選者之一。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)自旋軌道耦合強(qiáng)度的有效調(diào)控，是實(shí)現(xiàn)自旋量子比特高保真度操控重要的物理基礎(chǔ)。其中體系中的電場(chǎng)是調(diào)節(jié)自旋軌道耦合強(qiáng)度的一項(xiàng)重要手段，以此可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)自旋量子比特性質(zhì)的高效調(diào)控。

近年來(lái)，李海歐課題組在硅基鍺量子線(xiàn)空穴量子點(diǎn)體系中開(kāi)展了系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)測(cè)量雙量子點(diǎn)中自旋阻塞的漏電流的各向異性，在2021年首次在體系中實(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 [NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基礎(chǔ)上，在2022年首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)該體系內(nèi)自旋軌道耦合強(qiáng)度的高效調(diào)控[Physical Review Applied 17, 044052 (2022)]。與此同時(shí)，課題組在2022年利用電偶極自旋共振方式實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際上最快的自旋翻轉(zhuǎn)速率超過(guò)540MHz的自旋量子比特超快操控[NatureCommunications13, 206 (2022)]。

為了進(jìn)一步提升自旋量子比特的性能，研究人員經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)體系內(nèi)的電場(chǎng)參數(shù)（量子點(diǎn)失諧量和柵極電壓)對(duì)自旋量子比特的操控速率具有明顯的調(diào)制作用。通過(guò)物理建模和數(shù)據(jù)分析，研究人員利用電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)體系內(nèi)自旋軌道耦合效應(yīng)的調(diào)制作用，以及量子點(diǎn)中軌道激發(fā)態(tài)對(duì)比特操控速率的貢獻(xiàn)，自洽地解釋了電場(chǎng)對(duì)自旋量子比特操控速率調(diào)制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步測(cè)得了超過(guò)1.2 GHz的自旋比特超快操控速率，這也刷新了課題組之前創(chuàng)造的半導(dǎo)體自旋比特操控速率達(dá)到540MHz的最快記錄[NatureCommunications13, 206 (2022)]。該工作對(duì)研究空穴自旋量子比特操控的物理機(jī)制以及推動(dòng)硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算研究具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1. (a)樣品結(jié)構(gòu)示意圖以及測(cè)量設(shè)置。(b)電場(chǎng)參數(shù)失諧量（?）對(duì)自旋比特操控速率的調(diào)控。(c) 自旋比特操控速率隨微波功率增加而增加，最快操控速率超過(guò)1.2 GHz。