中国科大实现硅基量子推算自旋量子比特的超快调控

中国科大郭光灿院士团队在硅基半导体量子推算钻研中获得沉要进展。该团队郭国平教授、李海欧教授等人与南科大量子科学与工程钻研院黄培豪助理钻研员、中科院物理钻研所张建军钻研员以及本原量子推算有限公司合作，在硅基锗量子点中实现了自旋量子比特操控速度的电场调控，以及自旋翻转速度超过1.2 GHz的自旋量子比特超快操控，该速度是国际上半导体量子点系统中已报路的最高值。该工作对提升自旋量子比特的品质拥有沉要的领导意思。钻研成就以“Ultrafast and Electrically Tunable Rabi Frequency in a Germanium Hut Wire Hole Spin Qubit”为题，于近日在线颁发在国际纳米器件物理驰名期刊《Nano Letters》上。

硅基半导体自旋量子比特以其长量子退有关功夫和高操控保真度，以及其与现代半导体工艺技术兼容的高可扩大性，成为实现量子推算机研造的沉要候选者之一。高操控保真度要求比特在占有较长的量子退有关功夫的同时具备更快的操控速度。传统规划利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速度较慢。钻研人员发现，利用电偶极自旋共振机造实现自旋比特翻转，具备较快的操控速度。同时，比特的操控速度与系统内的自旋轨路耦合强度成正有关，因而对系统内自旋轨路耦合强度的有效调控，是实现自旋量子比特高保真度操控沉要的物理基础。其中系统中的电场是调节自旋轨路耦合强度的一项沉要伎俩，以此能够实现电场对自旋量子比个性质的高效调控。

近年来，李海欧课题组在硅基锗量子线空穴量子点系统中发展了系统性尝试钻研。通过丈量双量子点中自旋阻塞的漏电流的各向异性，在2021年初次在系统中实现了朗路g因子张量和自旋轨路耦合场方向的丈量与调控[NanoLetters21,3835-3842(2021)]。在此基础上，在2022年初次实现了对该系统内自旋轨路耦合强度的高效调控[Physical Review Applied 17,044052(2022)]。与此同时，课题组在2022年利用电偶极自旋共振方式实现了其时国际上最快的自旋翻转速度超过540MHz的自旋量子比特超快操控[NatureCommunications13,206(2022)]。

为了进一步提升自旋量子比特的机能，钻研人员经过尝试探索发现系统内的电场参数（量子点失谐量和栅极电压)对自旋量子比特的操控速度拥有显著的调造作用。通过物理建模和数据分析，钻研人员利用电场强度对系统内自旋轨路耦合效应的调造作用，以及量子点中轨路引发态对比特操控速度的贡献，自洽地诠氏缢电场对自旋量子比特操控速度调造的尝试了局。并在尝试上进一步测得了超过1.2 GHz的自旋比特超快操控速度，这也刷新了课题组之前创造的半导体自旋比特操控速度达到540MHz的最快纪录[NatureCommunications13,206(2022)]。该工作对钻研空穴自旋量子比特操控的物理机造以及推动硅基半导体量子推算钻研拥有沉要的领导意思。

图1.(a)样品结构示意图以及丈量设置。(b)电场参数失谐量（?）对自旋比特操控速度的调控。(c)自旋比特操控速度随微波功率增长而增长，最快操控速度超过1.2 GHz。

中科院量子信息沉点尝试室博士生刘赫和博士后王柯（已出站）为论文共同第一作者，中科院量子信息沉点尝试室李海欧教授、郭国平教授和南科大量子科学与工程钻研院黄培豪助理钻研员为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国度基金委、中国科学院以及安徽省的赞助。李海欧教授得到了中国科学技术大学仲英青年学者项主张赞助。