近日(rì)，郭光(guāng)燦院士團隊在矽基半導體(tǐ)量子計(jì)算研究中取得(de)重要進展。該團隊郭國(guó)平教授、李海歐教授等人(rén)與南(nán)科(kē)大(dà)量子科(kē)學與工(gōng)程研究院黃(huáng)培豪助理(lǐ)研究員(yuán)、中科(kē)院物理(lǐ)研究所張建軍研究員(yuán)以及本源量子計(jì)算有限公司合作(zuò)，在矽基鍺量子點中實現了自(zì)旋量子比特操控速率的電場調控，以及自(zì)旋翻轉速率超過1.2 GHz的自(zì)旋量子比特超快(kuài)操控，該速率是國(guó)際上半導體(tǐ)量子點體(tǐ)系中已報道的最高值。
該工(gōng)作(zuò)對提升自(zì)旋量子比特的品質具有重要的指導意義。研究成果以“Ultrafast and Electrically Tunable Rabi Frequency in a Germanium Hut Wire Hole Spin Qubit”爲題，于4月26日(rì)在線發表在國(guó)際納米器件(jiàn)物理(lǐ)知名期刊《Nano Letters》上。
矽基半導體(tǐ)自(zì)旋量子比特以其長量子退相(xiàng)幹時間和高操控保真度，以及其與現代半導體(tǐ)工(gōng)藝技術(shù)兼容的高可(kě)擴展性，成爲實現量子計(jì)算機(jī)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(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)旋軌道耦合強度的有效調控，是實現自(zì)旋量子比特高保真度操控重要的物理(lǐ)基礎。其中體(tǐ)系中的電場是調節自(zì)旋軌道耦合強度的一項重要手段，以此可(kě)以實現電場對自(zì)旋量子比特性質的高效調控。
近年(nián)來(lái)，李海歐課題組在矽基鍺量子線空穴量子點體(tǐ)系中開展了系統性實驗研究。通過測量雙量子點中自(zì)旋阻塞的漏電流的各向異性，在2021年(nián)首次在體(tǐ)系中實現了朗道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，在2022年(nián)首次實現了對該體(tǐ)系内自(zì)旋軌道耦合強度的高效調控。與此同時，課題組在2022年(nián)利用電偶極自(zì)旋共振方式實現了當時國(guó)際上最快(kuài)的自(zì)旋翻轉速率超過540MHz的自(zì)旋量子比特超快(kuài)操控。
爲了進一步提升自(zì)旋量子比特的性能，研究人(rén)員(yuán)經過實驗探究發現體(tǐ)系内的電場參數（量子點失諧量和栅極電壓)對自(zì)旋量子比特的操控速率具有明顯的調制作(zuò)用。通過物理(lǐ)建模和數據分(fēn)析，研究人(rén)員(yuán)利用電場強度對體(tǐ)系内自(zì)旋軌道耦合效應的調制作(zuò)用，以及量子點中軌道激發态對比特操控速率的貢獻，自(zì)洽地解釋了電場對自(zì)旋量子比特操控速率調制的實驗結果。
并在實驗上進一步測得(de)了超過1.2 GHz的自(zì)旋比特超快(kuài)操控速率，這也刷新了課題組之前創造的半導體(tǐ)自(zì)旋比特操控速率達到540MHz的最快(kuài)記錄。該工(gōng)作(zuò)對研究空穴自(zì)旋量子比特操控的物理(lǐ)機(jī)制以及推動矽基半導體(tǐ)量子計(jì)算研究具有重要的指導意義。
中科(kē)院量子信息重點實驗室博士生(shēng)劉赫和博士後王柯爲論文共同第一作(zuò)者，中科(kē)院量子信息重點實驗室李海歐教授、郭國(guó)平教授和南(nán)科(kē)大(dà)量子科(kē)學與工(gōng)程研究院黃(huáng)培豪助理(lǐ)研究員(yuán)爲論文共同通訊作(zuò)者。該工(gōng)作(zuò)得(de)到了科(kē)技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科(kē)學院以及安徽省的資助。李海歐教授得(de)到了中國(guó)科(kē)學技術(shù)大(dà)學仲英青年(nián)學者項目的資助。
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