创世界纪录！中国科大实现半导体量子比特的超快操控

来源：中科院量子信息重点实验室

中国科学技术大学郭光灿院士团队在硅基半导体自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧研究员与中科院物理所张建军研究员等人，和美国、澳大利亚的研究人员以及本源量子计算公司合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，其自旋翻转速率超过540MHz，是目前国际上已报道的最高值。研究成果以于1月11日在线发表在国际知名期刊《自然 通讯》上。

硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。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。利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转的方案，比特操控速率较慢，研究人员发现，利用电偶极自旋共振可以实现更快速率的自旋比特操控。电偶极自旋共振主要通过嵌入器件中的微磁体结构所产生的“人造自旋轨道耦合”来实现，这使得自旋量子比特感受到了更强的电荷噪声，从而降低了自旋量子比特的退相干时间，同时降低了自旋量子比特阵列的平均操控保真度，阻碍了硅基自旋量子比特单元的二维扩展。一种可行的有效方案是使用材料中天然存在的自旋轨道耦合进行自旋量子比特操控。

硅基量子点中的空穴载流子处于P轨道态，因而天然具有强的本征自旋轨道耦合效应和弱的超精细相互作用。利用电偶极自旋共振技术，通过一个交变电场就可以实现对空穴自旋量子比特的全电学控制，大大简化了量子比特的制备工艺，有利于实现硅基自旋量子比特单元的二维扩展。鉴于此，近几年硅基空穴体系中自旋轨道耦合研究和实现超快自旋量子比特操控成为领域关注的热点。

自旋轨道耦合场的方向会影响自旋比特操控速率以及比特初始化与读取的保真度，测量并确定自旋轨道耦合场的方向是首要任务，研究组在2021年首次在锗硅纳米线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，李海欧等人进一步优化器件性能，在耦合强度高度可调的双量子点中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读取，观测到了多能级的电偶极自旋共振谱。通过调节和选择不同的自旋翻转模式，实现了自旋翻转速率超过540 MHz的自旋量子比特超快操控。研究人员通过建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要贡献，来自于该体系的强自旋轨道耦合效应（超短的自旋轨道耦合长度）。研究结果表明，锗硅空穴自旋量子比特体系是实现全电控半导体量子计算的重要候选之一，为半导体量子计算研究开拓了一个新的领域。

图 1. (a) 锗硅纳米线空穴双量子点和自旋比特操控示意图，(b) 自旋比特翻转速率随微波功率增加而增加， (c) 微波功率为9 dBm时，自旋比特操控速率可达542MHz。

郭光灿院士与郭国平教授团队在硅基半导体量子计算领域已深耕十余年，并收获系列研究成果。近年，该团队利用微波超导谐振腔实现了对半导体双量子点的激发能谱测量，利用微波谐振腔探测到了半导体量子点受微波驱动调制的干涉新现象；将机器学习应用于量子计算有效提升了量子芯片的读取保真度，并大幅度抑制读取串扰效应。其中，本次研究合作单位本源量子也是国内唯一同时开展超导量子计算与硅基半导体量子计算工程化的企业。2021年4月，本源量子与晶合科技合作，建立了国内首个量子计算芯片联合实验室，引领国内硅基量子计算机的发展。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27880-7