最新進(jìn)展，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院郭光燦教授團(tuán)隊(duì)在硅基半導(dǎo)體載流子量子比特操控研究中取得飛越進(jìn)展。
該團(tuán)隊(duì)由郭國(guó)平院士、李海歐研究員與中科院化學(xué)所張建軍研究員等人和日本、澳大利亞的研究人員以及本源量子估算公司合作，實(shí)現(xiàn)了硅基載流子量子比特的超快操控鍺與量子通訊，其載流子翻轉(zhuǎn)速度超過(guò)，是目前國(guó)際上已報(bào)導(dǎo)的最高值。
研究成果以“ofaqubitinadot”為題，于1月11日在線發(fā)表在國(guó)際著名刊物《自然?通信》上[1]。
1.硅基半導(dǎo)體量子估算
硅基半導(dǎo)體載流子量子比特以其長(zhǎng)量子退相干時(shí)間和高操控保真度，以及與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝技術(shù)兼容的高可擴(kuò)充性，是量子估算研究的核心方向之一，同時(shí)也是量子機(jī)開(kāi)發(fā)獨(dú)具關(guān)注的一個(gè)方向。
業(yè)界著名的玩家，有法國(guó)新南威爾士學(xué)院量子估算與通信技術(shù)中心(CQC2T),過(guò)去她們就宣布成功解決了通過(guò)重新建立傳統(tǒng)硅基微處理器的方法創(chuàng)造出一套完整的硅基量子估算芯片設(shè)計(jì)方案。
John院長(zhǎng)曾是微軟量子團(tuán)隊(duì)的靈魂人物，團(tuán)隊(duì)在其率領(lǐng)下推動(dòng)微軟實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，證明了量子計(jì)算機(jī)對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的無(wú)與倫比的優(yōu)越性，但前面還是選擇了硅基半導(dǎo)體量子比特建立量子計(jì)算機(jī)的方向（閱：硅量子估算或迎來(lái)爆發(fā)期，微軟前量子估算負(fù)責(zé)人John即將加入SQC）。
而就在一個(gè)月前，新的初創(chuàng)公司獲得了約合人民幣7182萬(wàn)的混和(贈(zèng)款和股權(quán))資金（閱：硅量子估算公司再獲增資1000萬(wàn)美元），該公司也是主攻硅基量子方向。
而上文中提及的本源量子，公開(kāi)資料顯示該公司不僅在高溫超導(dǎo)量子估算領(lǐng)域布局，也是國(guó)外惟一同時(shí)舉辦硅基半導(dǎo)體量子估算工程化的企業(yè)。
為此，郭光燦教授團(tuán)隊(duì)的研究成果也在推動(dòng)著這一個(gè)方向的推動(dòng)。
2.高操控保真度是真挑戰(zhàn)
高操控保真度要求量子比特在擁有較長(zhǎng)的量子退相干時(shí)間的同時(shí)具備更快的操控速度。借助電子載流子共振方法實(shí)現(xiàn)載流子比特翻轉(zhuǎn)的方案，比特操控速度較慢，研究人員發(fā)覺(jué)，借助電偶極載流子共振可以實(shí)現(xiàn)更快速率的載流子比特操控。
電偶極載流子共振主要通過(guò)嵌入元件中的微磁極結(jié)構(gòu)所形成的“人造載流子軌道耦合”來(lái)實(shí)現(xiàn)，這促使載流子量子比特感遭到了更強(qiáng)的電荷噪音，因而增加了載流子量子比特的退相干時(shí)間，同時(shí)增加了載流子量子比特陣列的平均操控保真度，妨礙了硅基載流子量子比特單元的二維擴(kuò)充。
一種可行的有效方案是使用材料中天然存在的載流子軌道耦合進(jìn)行載流子量子比特操控。
硅基量子點(diǎn)中的空穴自旋處于P軌道態(tài)，因此天然具有強(qiáng)的本征載流子軌道耦合效應(yīng)和弱的超精細(xì)互相作用。借助電偶極載流子共振技術(shù)，通過(guò)一個(gè)交變電場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空穴載流子量子比特的全熱學(xué)控制，大大簡(jiǎn)化了量子比特的制備工藝鍺與量子通訊，有利于實(shí)現(xiàn)硅基載流子量子比特單元的二維擴(kuò)充。
鑒于此，近幾年硅基空穴體系中載流子軌道耦合研究和實(shí)現(xiàn)超快載流子量子比特操控成為領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。
載流子軌道耦合場(chǎng)的方向會(huì)影響載流子比特操控速度以及比特初始化與讀取的保真度，檢測(cè)并確定載流子軌道耦合場(chǎng)的方向是首要任務(wù)，研究組在2021年首次在鍺硅納火鍋空穴量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)了朗道g因子張量和載流子軌道耦合場(chǎng)方向的檢測(cè)與調(diào)控[Nano21,3835-3842(2021)]。
在此基礎(chǔ)上，李海歐等人進(jìn)一步優(yōu)化元件性能，在耦合硬度高度可調(diào)的雙量子點(diǎn)中完成了載流子量子比特的泡利載流子阻塞讀取，觀測(cè)到了多基態(tài)的電偶極載流子共振譜。通過(guò)調(diào)節(jié)和選擇不同的載流子翻轉(zhuǎn)模式，實(shí)現(xiàn)了載流子翻轉(zhuǎn)速度超過(guò)540MHz的載流子量子比特超快操控。
圖1.(a)鍺硅納拉面空穴雙量子點(diǎn)和載流子比特操控示意圖，(b)載流子比特翻轉(zhuǎn)速度隨微波功率降低而降低，(c)微波功率為9dBm時(shí)，載流子比特操控速度可達(dá)。
研究人員通過(guò)建模剖析，闡明了超快載流子量子比特操控速度的主要貢獻(xiàn)，來(lái)自于該體系的強(qiáng)載流子軌道耦合效應(yīng)(超短的載流子軌道耦合寬度)。研究結(jié)果表明鍺硅空穴載流子量子比特體系是實(shí)現(xiàn)全電控半導(dǎo)體量子估算的重要候選之一，為半導(dǎo)體量子估算研究開(kāi)拓了一個(gè)新的領(lǐng)域。
據(jù)對(duì)外的發(fā)文顯示，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后王柯和博士研究生徐剛(已結(jié)業(yè))為論文共同第一作者。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭國(guó)平院士、李海歐研究員和中科院化學(xué)所張建軍研究員為論文共同通信作者。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科大學(xué)以及廣東省的捐助。李海歐研究員得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院仲英青年學(xué)者項(xiàng)目的捐助。
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