本源量子与中国科大合作在硅基半导体量子比特调控上取得新进展

　　当前，量子计算发展进入飞速期，各国研究团队分别通过超导电路、离子阱、半导体、金刚石色心，或者光子等各种介质来构建量子比特体系，实现量子计算。在这些技术思路中，硅基自旋量子比特具有较长的量子退相干时间以及高操控保真度，并且可以很好地与现代半导体工艺技术兼容，是未来实现量子计算机的有力候选者。如果能够用半导体技术来实现量子计算，量子计算机的后续部署将更加顺利。
　　在半导体量子计算研究中，量子比特的调控尤为重要。近日，国内唯一同时开展低温超导和硅基半导体量子计算工程化的本源量子团队与中国科大及国内外团队合作，在硅基半导体量子芯片研究中取得重要进展。该研究实现了在硅基锗空穴量子点中自旋轨道耦合强度的高效调控，这对该体系实现自旋轨道开关以及提升自旋量子比特的品质具有重要的指导意义。研究成果日前在线发表在国际应用物理知名期刊《应用物理评论》上。
　　高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。研究人员发现，利用电偶极自旋共振机制实现自旋比特翻转，具备较快的操控速率。同时，比特的操控速率与体系内的自旋轨道耦合强度成正相关，因此对体系内自旋轨道耦合效应的研究，可以为实现自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基础。
　　研究人员利用一维锗纳米线具有较强的自旋轨道耦合相互作用的特点，近年来开展了一系列系统性的实验研究。通过测量双量子点中自旋阻塞区间漏电流的各向异性，首次在硅基锗纳米线的空穴量子点中实现了朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控 [Nano Letters 21, 3835-3842 (2021)]。在此基础上，2022年课题组利用电偶极自旋共振实现了国际上最快速率的自旋量子比特操控，翻转速率可达540MHz[Nature Communications 13, 206 (2022)]。
　　为了进一步研究硅基锗纳米线空穴体系中自旋轨道耦合机制并实现高度的可调性，课题组系统地测量了自旋阻塞区间漏电流随外磁场大小和量子点能级失谐量的变化关系，通过理论建模和数值分析，得到了体系内的自旋轨道强度。通过调节栅极电压并改变双量子点间的耦合强度，实现了体系中自旋轨道耦合强度的大范围调控。同时研究人员指出，在近期实现的新型图形化可控生长的一维锗纳米线体系中，由于其具有因界面不对称引起的Dresselhaus自旋轨道耦合以及可以高效调节的直接Rashba自旋轨道耦合，我们可以通过调节体系内的自旋耦合强度并改变纳米线的生长方向，既可以在动量空间找到一个自旋轨道耦合完全关闭的位置，也可以利用自旋轨道开关找到在实现比特超快操控速率的同时，使得比特保持较长的量子退相干时间的最佳操控点（sweet spot）。
　　这一发现为实现比特高保真度操控以及提升自旋量子比特的品质提供了重要的研究基础。
　　图. (a)自旋轨道耦合长度（自旋轨道耦合强度的一种表示）随栅极电压VC的变化关系，(b)在动量空间中，不同机制引起的自旋轨道场用不同颜色的箭头表示：蓝色，直接Rashba自旋轨道场（BR），绿色，Dresselhaus自旋轨道场（BD），红色，总自旋轨道场（Btotal）。当BR和BD的幅值相等且方向相反时，红色星星处的总自旋轨道耦合场为零，自旋轨道耦合会被关闭。
　　本次研究结果表明，利用电偶极自旋共振机制可实现硅基自旋量子比特高效调控，也为实现更高质量硅基半导体量子计算奠定了重要的研究基础。
　　论文链接：
　　https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.044052
　　信息来源：
　　中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部