中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)與美國(guó)、澳大利亞研究人員及本源量子共同合作，實(shí)現(xiàn)硅基自旋量子比特的超快操控，自旋翻轉(zhuǎn)速率超過(guò) 540MHz，這是目前國(guó)際上已報(bào)道的最高值。

據(jù)悉，目前該研究成果以“Ultrafast coherent control of ahole spin qubit in a germanium quantum dot”為題已發(fā)表在 1 月 11 日的《自然》期刊上。

 

據(jù)介紹，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，成為量子計(jì)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(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可以實(shí)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)，但這會(huì)使自旋量子比特感受到更強(qiáng)的電荷噪聲，從而降低自旋量子比特的退相干時(shí)間，同時(shí)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(kuò)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(jìn)行自旋量子比特操控。

 

另外，硅基鍺量子點(diǎn)中的空穴載流子處于P軌道態(tài)，因而天然具有較強(qiáng)的本征自旋軌道耦合效應(yīng)和較弱的超精細(xì)相互作用。利用電偶極自旋共振技術(shù)，僅通過(guò)單個(gè)交變電場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)空穴自旋量子比特的全電學(xué)控制，大大簡(jiǎn)化了量子比特的制備工藝，有利于實(shí)現(xiàn)硅基自旋量子比特單元的二維擴(kuò)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(shí)現(xiàn)超快自旋量子比特操控成為該領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

 

自旋軌道耦合場(chǎng)的方向會(huì)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(cè)量并確定自旋軌道耦合場(chǎng)的方向是實(shí)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(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[NanoLetters21,3835-3842 (2021)]。在此基礎(chǔ)上，李海歐等人進(jìn)一步優(yōu)化器件性能，在耦合強(qiáng)度高度可調(diào)的雙量子點(diǎn)中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞讀取，觀測(cè)到了多能級(jí)的電偶極自旋共振譜。通過(guò)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(shí)現(xiàn)了自旋翻轉(zhuǎn)速率超過(guò)540MHz的自旋量子比特超快操控。研究人員通過(guò)建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要貢獻(xiàn)來(lái)自于該體系的強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)（超短的自旋軌道耦合長(zhǎng)度）。

 

研究結(jié)果表明硅基鍺空穴自旋量子比特是實(shí)現(xiàn)全電控量子比特操控與擴(kuò)展的重要候選體系，為實(shí)現(xiàn)硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算奠定了重要研究基礎(chǔ)。