近日，郭光燦院士團隊在硅基半導體量子計算研究中取得重要進展。該團隊郭國平教授、李海歐教授等人與南科大量子科學與工程研究院黃培豪助理研究員、中科院物理研究所張建軍研究員以及本源量子計算有限公司合作，在硅基鍺量子點中實現了自旋量子比特操控速率的電場調控，以及自旋翻轉速率超過1.2 GHz的自旋量子比特超快操控，該速率是國際上半導體量子點體系中已報道的最高值。該工作對提升自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”為題，于4月26日在線發表在國際納米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

硅基半導體自旋量子比特以其長量子退相干時間和高操控保真度，以及其與現代半導體工藝技術兼容的高可擴展性，成為實現量子計算機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干時間的同時具備更快的操控速率。傳統方案利用電子自旋共振方式實現自旋比特翻轉，這種方式的比特操控速率較慢。研究人員發現，利用電偶極自旋共振機制實現自旋比特翻轉，具備較快的操控速率。同時，比特的操控速率與體系內的自旋軌道耦合強度成正相關，因此對體系內自旋軌道耦合強度的有效調控，是實現自旋量子比特高保真度操控重要的物理基礎。其中體系中的電場是調節自旋軌道耦合強度的一項重要手段，以此可以實現電場對自旋量子比特性質的高效調控。

近年來，李海歐課題組在硅基鍺量子線空穴量子點體系中開展了系統性實驗研究。通過測量雙量子點中自旋阻塞的漏電流的各向異性，在2021年首次在體系中實現了朗道g因子張量和自旋軌道耦合場方向的測量與調控 [NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基礎上，在2022年首次實現了對該體系內自旋軌道耦合強度的高效調控[Physical Review Applied 17, 044052 (2022)]。與此同時，課題組在2022年利用電偶極自旋共振方式實現了當時國際上最快的自旋翻轉速率超過540MHz的自旋量子比特超快操控[NatureCommunications13, 206 (2022)]。

為了進一步提升自旋量子比特的性能，研究人員經過實驗探究發現體系內的電場參數（量子點失諧量和柵極電壓)對自旋量子比特的操控速率具有明顯的調制作用。通過物理建模和數據分析，研究人員利用電場強度對體系內自旋軌道耦合效應的調制作用，以及量子點中軌道激發態對比特操控速率的貢獻，自洽地解釋了電場對自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了超過1.2 GHz的自旋比特超快操控速率，這也刷新了課題組之前創造的半導體自旋比特操控速率達到540MHz的最快記錄[NatureCommunications13, 206 (2022)]。該工作對研究空穴自旋量子比特操控的物理機制以及推動硅基半導體量子計算研究具有重要的指導意義。

圖1

圖1. (a)樣品結構示意圖以及測量設置。(b)電場參數失諧量（?）對自旋比特操控速率的調控。(c) 自旋比特操控速率隨微波功率增加而增加，最快操控速率超過1.2 GHz。中科院量子信息重點實驗室博士生劉赫和博士后王柯（已出站）為論文共同第一作者，中科院量子信息重點實驗室李海歐教授、郭國平教授和南科大量子科學與工程研究院黃培豪助理研究員為論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院以及安徽省的資助。李海歐教授得到了中國科學技術大學仲英青年學者項目的資助。