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為自旋量子比特的高保真度操控提供物理基礎(chǔ) 中國科大實(shí)現(xiàn)硅基量子芯片中自旋軌道耦合強(qiáng)度的高效調(diào)控
2022年05月05日 10:25:25
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點(diǎn)擊量：4399
課題組系統(tǒng)地測量了自旋阻塞區(qū)間漏電流隨外磁場大小和量子點(diǎn)能級失諧量的變化關(guān)系，通過理論建模和數(shù)值分析，得到了體系內(nèi)的自旋軌道強(qiáng)度。通過調(diào)節(jié)柵極電壓并改變雙量子點(diǎn)間的耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了體系中自旋軌道耦合強(qiáng)度的大范圍調(diào)控。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】量子計(jì)算技術(shù)擁有極快的計(jì)算速度和極強(qiáng)的信息處理能力。通過量子計(jì)算機(jī)的誕生將在海量信息處理、重大科學(xué)問題研究等方面產(chǎn)生巨大影響，甚至在國家的國際地位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步、國防軍事和信息安全等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵性作用。
硅基自旋量子比特是硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算的比特載體，其包含兩個(gè)概念，一是硅基，即硅基半導(dǎo)體；二即為自旋量子比特。一個(gè)比特體系要想實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)研制，既要比特的性能要好，同時(shí)比特也要具有可擴(kuò)展性。硅基自旋已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單比特門操控保真度99.9%和兩比特門操控保真度99%，硅基自旋量子比特因?yàn)槠漭^長的量子退相干時(shí)間以及高操控保真度而受到廣泛關(guān)注。同時(shí)，在比特?cái)U(kuò)展方面，由于構(gòu)造硅基自旋量子比特的硅基量子點(diǎn)的制備和加工工藝與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝技術(shù)完全兼容，具有極高的可擴(kuò)展性。結(jié)合了優(yōu)質(zhì)的比特性能和高度的可擴(kuò)展性的硅基半導(dǎo)體自旋量子比特被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)規(guī)?；孔佑?jì)算機(jī)研制的核心方向之一。
除此之外，硅基自旋量子比特與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝相兼容的特點(diǎn)使其大規(guī)模擴(kuò)展成為可能。高操控保真度要求比特在擁有較長的量子退相干時(shí)間的同時(shí)具備足夠快的操控速率。傳統(tǒng)的比特操控方式——電子自旋共振由于受到加熱效應(yīng)的限制，其翻轉(zhuǎn)速率較慢。當(dāng)體系中存在較強(qiáng)的自旋軌道耦合時(shí)，理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明可以利用電偶極自旋共振實(shí)現(xiàn)自旋比特的翻轉(zhuǎn)，其翻轉(zhuǎn)速率與自旋軌道耦合強(qiáng)度成正比，可以大大提高比特操控速率。
中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)郭國平教授、李海歐教授等人與中科院物理所張建軍研究員、紐約州立大學(xué)布法羅分校胡學(xué)東教授以及本源量子計(jì)算有限公司合作，針對一維鍺納米線具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合相互作用的特點(diǎn)，開展了一系列系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。課題組系統(tǒng)地測量了自旋阻塞區(qū)間漏電流隨外磁場大小和量子點(diǎn)能級失諧量的變化關(guān)系，通過理論建模和數(shù)值分析，得到了體系內(nèi)的自旋軌道強(qiáng)度。通過調(diào)節(jié)柵極電壓并改變雙量子點(diǎn)間的耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了體系中自旋軌道耦合強(qiáng)度的大范圍調(diào)控。
研究表明，通過調(diào)節(jié)體系內(nèi)的自旋耦合強(qiáng)度并改變納米線的生長方向，既可以在動(dòng)量空間找到一個(gè)自旋軌道耦合完全關(guān)閉的位置，也可以利用自旋軌道開關(guān)找到在實(shí)現(xiàn)比特超快操控速率的同時(shí)，使得比特保持較長的量子退相干時(shí)間的最佳操控點(diǎn)。
對體系內(nèi)自旋軌道耦合效應(yīng)進(jìn)行研究，可以為實(shí)現(xiàn)自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基礎(chǔ)。并且，研究團(tuán)隊(duì)在硅基鍺空穴量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)了自旋軌道耦合強(qiáng)度的高效調(diào)控，為該體系實(shí)現(xiàn)自旋軌道開關(guān)以及提升自旋量子比特的品質(zhì)提供了重要的指導(dǎo)意義。
研究成果以“Gate-Tunable Spin-Orbit Coupling in a Germanium Hole Double Quantum Dot”為題，于4月27日在線發(fā)表在國際應(yīng)用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。
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