中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在硅基自旋量子比特操控研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平、李海歐研究組與合作者以及本源量子計(jì)算公司合作，對(duì)集成微磁體的硅基量子點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了自旋量子比特操控的各向異性：通過改變外加磁場(chǎng)與硅片晶向的相對(duì)方向，可以將自旋量子比特的操控速率、退相干速率和可尋址性進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化。該研究成果發(fā)表在4月27日出版的國(guó)際應(yīng)用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。 Ro$*bN6p  
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硅基自旋量子比特以其超長(zhǎng)的量子退相干時(shí)間，以及與現(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。近幾年，基于硅平面晶體管（Si MOS）、硅/硅鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的自旋量子比特的單比特控制保真度可以達(dá)到99.9%，兩比特控制保真度可以達(dá)到99%，最多的比特操控?cái)?shù)目可以達(dá)到6個(gè)，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等國(guó)際巨頭企業(yè)均已利用自身在半導(dǎo)體工業(yè)的優(yōu)勢(shì)積累，開始參與硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算研究。然而，通過嵌入微磁體進(jìn)行量子比特操控的硅基量子點(diǎn)會(huì)大幅增加電荷噪聲對(duì)量子比特操控的影響，降低量子比特陣列的平均操控保真度，阻礙硅基量子比特陣列的進(jìn)一步擴(kuò)展。 =?Co<972Z  
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為了抑制微磁體可能對(duì)比特操控的不利影響，傳統(tǒng)的方法是優(yōu)化微磁體形狀的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)橫向磁場(chǎng)梯度的同時(shí)抑制縱向磁場(chǎng)梯度。然而，當(dāng)量子比特陣列擴(kuò)展起來之后，微磁體形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)受到阻礙。另一種更為有效的方法是原位調(diào)節(jié)磁場(chǎng)方向，例如已報(bào)道的在不含有微磁體的硅半導(dǎo)體量子點(diǎn)中，通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)方向可以有效改變本征自旋-軌道耦合的大小，改變比特操控頻率、調(diào)節(jié)量子比特退相干時(shí)間，進(jìn)而優(yōu)化量子比特操控。然而，對(duì)于嵌入微磁體的硅量子點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)微磁體性質(zhì)進(jìn)行量子比特操控優(yōu)化的工作尚無相關(guān)報(bào)道。 :1t&>x=T  
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李海歐、郭國(guó)平等人通過制備高質(zhì)量的集成微磁體的Si MOS量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自旋量子比特的泡利自旋阻塞讀出，并以此測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)研究了外加磁場(chǎng)方向?qū)ψ孕�量子比特操控的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加的面內(nèi)磁場(chǎng)到達(dá)某一特定角度時(shí)，操控速率可以保持較高的水平而電荷噪聲引起的退相干被大大抑制，而量子比特的尋址特性又被維持在一個(gè)較高的水平。這一特點(diǎn)說明通過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向，硅基自旋量子比特的操控速率、退相干時(shí)間和可尋址性得到同時(shí)優(yōu)化。研究人員同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的過程中，面內(nèi)橫向磁場(chǎng)梯度起到了不可忽視的作用，這也暗示了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向?qū)ρ芯亢�有微磁體的自旋軌道耦合——合成自旋軌道耦合的豐富物理內(nèi)涵具有重要意義。 Z{
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該工作得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)：“能夠理解并且預(yù)測(cè)微磁體器件的最優(yōu)工作點(diǎn)是非常有用的，這些結(jié)果對(duì)這個(gè)領(lǐng)域來說是非常有價(jià)值的貢獻(xiàn)(Being able to understand and predict good operating points of micromagnet devices is useful and these results are a valuable contribution to the field)”。該工作同時(shí)也得到了同行的高度關(guān)注，專注硅基自旋量子比特的理論物理學(xué)家Yujun Choi和Robert Joynt在近期的文章（arXiv:2103.05865）中表示該項(xiàng)成果展示了通過改變磁場(chǎng)方向優(yōu)化量子比特操控的實(shí)驗(yàn)方面的努力（Indeed, experiments to optimize qubit operation by so changing the direction of the field using a vector magnet have been carried out）。 , =*^XlO=c  
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郭國(guó)平教授研究組長(zhǎng)期致力于半導(dǎo)體量子芯片的研發(fā)，于2014年開始開展基于自旋量子比特的硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算研究，2020年在[Phys. Rev. Lett. 124, 257701 (2020)]上發(fā)表文章，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了硅基自旋量子比特壽命的強(qiáng)各向異性，將量子比特弛豫時(shí)間提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。在之前研究的基礎(chǔ)上，此次關(guān)于量子比特操控的進(jìn)展進(jìn)一步提升了量子比特操控的優(yōu)化空間，為實(shí)現(xiàn)高保真度的多量子比特?cái)U(kuò)展的硅基量子計(jì)算研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 a]V#mF |{  
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中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭國(guó)平教授、李海歐研究員為論文共同通訊作者，博士生張?chǎng)�、周圓為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。 GdScYAC   
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相關(guān)鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.044042