近日(rì)，國(guó)内唯一同時開展低溫超導和矽基半導體(tǐ)量子計(jì)算工(gōng)程化的本源量子團隊與中國(guó)科(kē)大(dà)及國(guó)内外團隊合作(zuò)，在矽基半導體(tǐ)量子芯片研究中取得(de)重要進展。

該研究實現了在矽基鍺空穴量子點中自(zì)旋軌道耦合強度的高效調控，這對該體(tǐ)系實現自(zì)旋軌道開關以及提升自(zì)旋量子比特的品質具有重要的指導意義。研究成果近日(rì)在線發表在國(guó)際應用物理(lǐ)知名期刊《應用物理(lǐ)評論》上。

當前，量子計(jì)算發展進入飛速期，各國(guó)研究團隊分(fēn)别通過超導電路(lù)、離(lí)子阱、半導體(tǐ)、金剛石色心，或者光(guāng)子等各種介質來(lái)構建量子比特體(tǐ)系，實現量子計(jì)算。

在這些技術(shù)思路(lù)中，矽基自(zì)旋量子比特具有較長的量子退相(xiàng)幹時間以及高操控保真度，并且可(kě)以很好地與現代半導體(tǐ)工(gōng)藝技術(shù)兼容，是未來(lái)實現量子計(jì)算機(jī)的有力候選者。如(rú)果能夠用半導體(tǐ)技術(shù)來(lái)實現量子計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)的後續部署将更加順利。在半導體(tǐ)量子計(jì)算研究中，量子比特的調控尤爲重要。

高操控保真度要求比特在擁有較長的量子退相(xiàng)幹時間的同時具備更快(kuài)的操控速率。傳統方案利用電子自(zì)旋共振方式實現自(zì)旋比特翻轉，這種方式的比特操控速率較慢(màn)。研究人(rén)員(yuán)發現，利用電偶極自(zì)旋共振機(jī)制實現自(zì)旋比特翻轉，具備較快(kuài)的操控速率。

同時，比特的操控速率與體(tǐ)系内的自(zì)旋軌道耦合強度成正相(xiàng)關，因此對體(tǐ)系内自(zì)旋軌道耦合效應的研究，可(kě)以爲實現自(zì)旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理(lǐ)基礎。

研究人(rén)員(yuán)利用一維鍺納米線具有較強的自(zì)旋軌道耦合相(xiàng)互作(zuò)用的特點，近年(nián)來(lái)開展了一系列系統性的實驗研究。通過測量雙量子點中自(zì)旋阻塞區間漏電流的各向異性，首次在矽基鍺納米線的空穴量子點中實現了朗道g因子張量和自(zì)旋軌道耦合場方向的測量與調控 。

在此基礎上，2022年(nián)課題組利用電偶極自(zì)旋共振實現了國(guó)際上最快(kuài)速率的自(zì)旋量子比特操控，翻轉速率可(kě)達540MHz。

爲了進一步研究矽基鍺納米線空穴體(tǐ)系中自(zì)旋軌道耦合機(jī)制并實現高度的可(kě)調性，課題組系統地測量了自(zì)旋阻塞區間漏電流随外磁場大(dà)小和量子點能級失諧量的變化關系，通過理(lǐ)論建模和數值分(fēn)析，得(de)到了體(tǐ)系内的自(zì)旋軌道強度。

通過調節栅極電壓并改變雙量子點間的耦合強度，實現了體(tǐ)系中自(zì)旋軌道耦合強度的大(dà)範圍調控。

同時研究人(rén)員(yuán)指出，在近期實現的新型圖形化可(kě)控生(shēng)長的一維鍺納米線體(tǐ)系中，由于其具有因界面不對稱引起的Dresselhaus自(zì)旋軌道耦合以及可(kě)以高效調節的直接Rashba自(zì)旋軌道耦合，我們可(kě)以通過調節體(tǐ)系内的自(zì)旋耦合強度并改變納米線的生(shēng)長方向，既可(kě)以在動量空間找到一個自(zì)旋軌道耦合完全關閉的位置，也可(kě)以利用自(zì)旋軌道開關找到在實現比特超快(kuài)操控速率的同時，使得(de)比特保持較長的量子退相(xiàng)幹時間的最佳操控點。

這一發現爲實現比特高保真度操控以及提升自(zì)旋量子比特的品質提供了重要的研究基礎。本次研究結果表明，利用電偶極自(zì)旋共振機(jī)制可(kě)實現矽基自(zì)旋量子比特高效調控，也爲實現更高質量矽基半導體(tǐ)量子計(jì)算奠定了重要的研究基礎。