科研人員“超快調控”硅基自旋量子比特

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中國科學技術大學郭光燦院士團隊的教授郭國平、李海歐等人，與南方科技大學量子科學與工程研究院助理研究員黃培豪、中科院物理研究所研究員張建軍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。研究成果日前在線發表于《納米快報》。

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。

為了進一步提升自旋量子比特的性能，在前期研究的基礎上，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。

研究人員認為，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。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00213

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