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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(xiàn)硅基量子芯片中自旋軌道耦合強度的高效調(diào)控
2022年05月05日 10:25:25
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：4371
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)的自旋軌道強度。通過調(diào)節(jié)柵極電壓并改變雙量子點間的耦合強度，實現(xiàn)了體系中自旋軌道耦合強度的大范圍調(diào)控。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】量子計算技術(shù)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(chǎn)生巨大影響，甚至在國家的國際地位、經(jīng)濟發(fā)展、科技進步、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(xiàn)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(jīng)實現(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(guān)注。同時，在比特擴展方面，由于構(gòu)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(xiàn)代半導體工藝技術(shù)完全兼容，具有極高的可擴展性。結(jié)合了優(yōu)質(zhì)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(xiàn)規(guī)?；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(xiàn)代半導體工藝相兼容的特點使其大規(guī)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(tǒng)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(zhuǎn)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(xiàn)自旋比特的翻轉(zhuǎn)，其翻轉(zhuǎn)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(tǒng)性的實驗研究。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)的自旋軌道強度。通過調(diào)節(jié)柵極電壓并改變雙量子點間的耦合強度，實現(xiàn)了體系中自旋軌道耦合強度的大范圍調(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(guān)閉的位置，也可以利用自旋軌道開關(guān)找到在實現(xiàn)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(nèi)自旋軌道耦合效應進行研究，可以為實現(xiàn)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(xiàn)了自旋軌道耦合強度的高效調(diào)控，為該體系實現(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)表在國際應用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。
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