中國科大實現硅基量子計算自旋量子比特的超快調控
中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊等在硅基半導體量子計算研究中取得重要進展。該團隊研究人員與南方科技大學、中國科學院物理研究所及本源量子計算有限公司研究人員合作，在硅基鍺量子點中實現了自旋量子比特操控速率的電場調控，以及自旋翻轉速率超過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具有重要指導意義。相關研究成果以Ultrafast and Electrically Tunable Rabi Frequency in a Germanium Hut Wire Hole Spin Qubit為題于近日在線發(fā)表在《納米快報》（Nano Letters）上。 & w&JE]$ 5
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硅基半導體自旋量子比特以其長量子退相干時間和高操控保真度，以及其與現代半導體工藝技術兼容的高可擴展性，成為實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的量子退相干時間的同時具備更快的操控速率。傳統方案利用電子自旋共振方式實現自旋比特翻轉，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現自旋比特翻轉，具備較快的操控速率。同時，比特的操控速率與體系內的自旋軌道耦合強度成正相關，因此對體系內自旋軌道耦合強度的有效調控，是實現自旋量子比特高保真度操控的重要物理基礎。其中體系中的電場是調節(jié)自旋軌道耦合強度的一項重要手段，以此可以實現電場對自旋量子比特性質的高效調控。 S|CN)8Jsi
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近年來，研究團隊在硅基鍺量子線空穴量子點體系中開展了系統性實驗研究。通過測量雙量子點中自旋阻塞的漏電流的各向異性，在2021年首次在體系中實現了朗道g因子張量和自旋軌道耦合場方向的測量與調控。在此基礎上，在2022年首次實現了對該體系內自旋軌道耦合強度的高效調控。與此同時，團隊在2022年利用電偶極自旋共振方式實現了當時國際上最快的自旋翻轉速率超過540MHz的自旋量子比特超快操控。 \Z{6j& ;
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為了進一步提升自旋量子比特的性能，研究人員經過實驗探究發(fā)現體系內的電場參數（量子點失諧量和柵極電壓）對自旋量子比特的操控速率具有明顯的調制作用。通過物理建模和數據分析，研究人員利用電場強度對體系內自旋軌道耦合效應的調制作用，以及量子點中軌道激發(fā)態(tài)對比特操控速率的貢獻，自洽地解釋了電場對自旋量子比特操控速率調制的實驗結果。研究人員在實驗上進一步測得了超過1.2 GHz的自旋比特超快操控速率，這也刷新了團隊之前創(chuàng)造的半導體自旋比特操控速率達到540MHz的最快記錄。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硅基半導體量子計算研究具有重要指導意義。 | :7O
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圖 (a)樣品結構示意圖以及測量設置。(b)電場參數失諧量（）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1.2 GHz。 [K1RP.
研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委、中國科學院及安徽省的資助。 V^sZXdDNL
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論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00213
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