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為自旋量子比特的高保真度操控提供物理基礎 中國科大實現硅基量子芯片中自旋軌道耦合強度的高效調控
2022年05月05日 10:25:25
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：4403
課題組系統地測量了自旋阻塞區間漏電流隨外磁場大小和量子點能級失諧量的變化關系，通過理論建模和數值分析，得到了體系內的自旋軌道強度。通過調節柵極電壓并改變雙量子點間的耦合強度，實現了體系中自旋軌道耦合強度的大范圍調控。
【化工儀器網 項目成果】量子計算技術擁有極快的計算速度和極強的信息處理能力。通過量子計算機的誕生將在海量信息處理、重大科學問題研究等方面產生巨大影響，甚至在國家的國際地位、經濟發展、科技進步、國防軍事和信息安全等領域發揮關鍵性作用。
硅基自旋量子比特是硅基半導體量子計算的比特載體，其包含兩個概念，一是硅基，即硅基半導體；二即為自旋量子比特。一個比特體系要想實現量子計算機研制，既要比特的性能要好，同時比特也要具有可擴展性。硅基自旋已經實現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為其較長的量子退相干時間以及高操控保真度而受到廣泛關注。同時，在比特擴展方面，由于構造硅基自旋量子比特的硅基量子點的制備和加工工藝與現代半導體工藝技術完全兼容，具有極高的可擴展性。結合了優質的比特性能和高度的可擴展性的硅基半導體自旋量子比特被認為是實現規?；孔佑嬎銠C研制的核心方向之一。
除此之外，硅基自旋量子比特與現代半導體工藝相兼容的特點使其大規模擴展成為可能。高操控保真度要求比特在擁有較長的量子退相干時間的同時具備足夠快的操控速率。傳統的比特操控方式——電子自旋共振由于受到加熱效應的限制，其翻轉速率較慢。當體系中存在較強的自旋軌道耦合時，理論和實驗研究都表明可以利用電偶極自旋共振實現自旋比特的翻轉，其翻轉速率與自旋軌道耦合強度成正比，可以大大提高比特操控速率。
中國科大郭光燦院士團隊郭國平教授、李海歐教授等人與中科院物理所張建軍研究員、紐約州立大學布法羅分校胡學東教授以及本源量子計算有限公司合作，針對一維鍺納米線具有較強的自旋軌道耦合相互作用的特點，開展了一系列系統性的實驗研究。課題組系統地測量了自旋阻塞區間漏電流隨外磁場大小和量子點能級失諧量的變化關系，通過理論建模和數值分析，得到了體系內的自旋軌道強度。通過調節柵極電壓并改變雙量子點間的耦合強度，實現了體系中自旋軌道耦合強度的大范圍調控。
研究表明，通過調節體系內的自旋耦合強度并改變納米線的生長方向，既可以在動量空間找到一個自旋軌道耦合完全關閉的位置，也可以利用自旋軌道開關找到在實現比特超快操控速率的同時，使得比特保持較長的量子退相干時間的最佳操控點。
對體系內自旋軌道耦合效應進行研究，可以為實現自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基礎。并且，研究團隊在硅基鍺空穴量子點中實現了自旋軌道耦合強度的高效調控，為該體系實現自旋軌道開關以及提升自旋量子比特的品質提供了重要的指導意義。
研究成果以“Gate-Tunable Spin-Orbit Coupling in a Germanium Hole Double Quantum Dot”為題，于4月27日在線發表在國際應用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。
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