我校郭光燦院士團隊在硅基半導體量子計算研究中取得重要進(jìn)展。該團隊郭國平教授、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算有限公司合作，在硅基鍺量子點(diǎn)中實(shí)現了自旋量子比特操控速率的電場(chǎng)調控，以及自旋翻轉速率超過(guò)1.2 GHz的自旋量子比特超快操控，該速率是國際上半導體量子點(diǎn)體系中已報道的最高值。該工作對提升自旋量子比特的品質(zhì)具有重要的指導意義。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)表在國際納米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。
硅基半導體自旋量子比特以其長(cháng)量子退相干時(shí)間和高操控保真度，以及其與現代半導體工藝技術(shù)兼容的高可擴展性，成為實(shí)現量子計算機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(cháng)的量子退相干時(shí)間的同時(shí)具備更快的操控速率。傳統方案利用電子自旋共振方式實(shí)現自旋比特翻轉，這種方式的比特操控速率較慢。研究人員發(fā)現，利用電偶極自旋共振機制實(shí)現自旋比特翻轉，具備較快的操控速率。同時(shí)，比特的操控速率與體系內的自旋軌道耦合強度成正相關(guān)，因此對體系內自旋軌道耦合強度的有效調控，是實(shí)現自旋量子比特高保真度操控重要的物理基礎。其中體系中的電場(chǎng)是調節自旋軌道耦合強度的一項重要手段，以此可以實(shí)現電場(chǎng)對自旋量子比特性質(zhì)的高效調控。
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)展了系統性實(shí)驗研究。通過(guò)測量雙量子點(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)現了朗道g因子張量和自旋軌道耦合場(chǎng)方向的測量與調控 [NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基礎上，在2022年首次實(shí)現了對該體系內自旋軌道耦合強度的高效調控[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)現了當時(shí)國際上最快的自旋翻轉速率超過(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)驗探究發(fā)現體系內的電場(chǎng)參數（量子點(diǎn)失諧量和柵極電壓)對自旋量子比特的操控速率具有明顯的調制作用。通過(guò)物理建模和數據分析，研究人員利用電場(chǎng)強度對體系內自旋軌道耦合效應的調制作用，以及量子點(diǎn)中軌道激發(fā)態(tài)對比特操控速率的貢獻，自洽地解釋了電場(chǎng)對自旋量子比特操控速率調制的實(shí)驗結果。并在實(shí)驗上進(jìn)一步測得了超過(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 )造的半導體自旋比特操控速率達到540MHz的最快記錄[NatureCommunications13, 206 (2022)]。該工作對研究空穴自旋量子比特操控的物理機制以及推動(dòng)硅基半導體量子計算研究具有重要的指導意義。
圖1. (a)樣品結構示意圖以及測量設置。(b)電場(chǎng)參數失諧量（?）對自旋比特操控速率的調控。(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。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室博士生劉赫和博士后王柯（已出站）為論文共同第一作者，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室李海歐教授、郭國平教授和南科大量子科學(xué)與工程研究院黃培豪助理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。李海歐教授得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者項目的資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00213
（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室、物理學(xué)院、中科院量子信息和量子科技創(chuàng )新研究院、科研部）
