近日，郭光燦院士團隊在矽基半導體(tǐ)量子計算研究中(zhōng)取得重要進展。該團隊郭國平教授、李海歐教授等人與南(nán)科大(dà)量子科學與工(gōng)程研究院黃培豪助理研究員(yuán)、中(zhōng)科院物(wù)理研究所張建軍研究員(yuán)以及本源量子計算有限公司合作，在矽基鍺量子點中(zhōng)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(tǐ)量子點體(tǐ)系中(zhōng)已報道的最高值。
該工(gōng)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”爲題，于4月26日在線發表在國際納米器件物(wù)理知(zhī)名期刊《Nano Letters》上。
矽基半導體(tǐ)自旋量子比特以其長量子退相幹時間和高操控保真度，以及其與現代半導體(tǐ)工(gōng)藝技術兼容的高可擴展性，成爲實現量子計算機研制的重要候選者之一(yī)。高操控保真度要求比特在擁有較長的量子退相幹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(màn)。
研究人員(yuán)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(tǐ)系内的自旋軌道耦合強度成正相關，因此對體(tǐ)系内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(wù)理基礎。其中(zhōng)體(tǐ)系中(zhōng)的電場是調節自旋軌道耦合強度的一(yī)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，李海歐課題組在矽基鍺量子線空穴量子點體(tǐ)系中(zhōng)開(kāi)展了系統性實驗研究。通過測量雙量子點中(zhōng)自旋阻塞的漏電流的各向異性，在2021年首次在體(tǐ)系中(zhōng)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 。
在此基礎上，在2022年首次實現了對該體(tǐ)系内自旋軌道耦合強度的高效調控。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。
爲了進一(yī)步提升自旋量子比特的性能，研究人員(yuán)經過實驗探究發現體(tǐ)系内的電場參數（量子點失諧量和栅極電壓)對自旋量子比特的操控速率具有明顯的調制作用。通過物(wù)理建模和數據分(fēn)析，研究人員(yuán)利用電場強度對體(tǐ)系内自旋軌道耦合效應的調制作用，以及量子點中(zhōng)軌道激發态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(yī)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(tǐ)自旋比特操控速率達到540MHz的最快記錄。該工(gōng)作對研究空穴自旋量子比特操控的物(wù)理機制以及推動矽基半導體(tǐ)量子計算研究具有重要的指導意義。
中(zhōng)科院量子信息重點實驗室博士生(shēng)劉赫和博士後王柯爲論文共同第一(yī)作者，中(zhōng)科院量子信息重點實驗室李海歐教授、郭國平教授和南(nán)科大(dà)量子科學與工(gōng)程研究院黃培豪助理研究員(yuán)爲論文共同通訊作者。該工(gōng)作得到了科技部、國家基金委、中(zhōng)國科學院以及安徽省的資(zī)助。李海歐教授得到了中(zhōng)國科學技術大(dà)學仲英青年學者項目的資(zī)助。
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