當(dāng)前，量子計(jì)算發(fā)展進(jìn)入飛速期，各國研究團(tuán)隊(duì)分別通過超導(dǎo)電路、離子阱、半導(dǎo)體、金剛石色心，或者光子等各種介質(zhì)來構(gòu)建量子比特體系，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。在這些技術(shù)思路中，硅基自旋量子比特具有較長的量子退相干時間以及高操控保真度，并且可以很好地與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝技術(shù)兼容，是未來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的有力候選者。如果能夠用半導(dǎo)體技術(shù)來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)的后續(xù)部署將更加順利。

在半導(dǎo)體量子計(jì)算研究中，量子比特的調(diào)控尤為重要。近日，國內(nèi)唯一同時開展低溫超導(dǎo)和硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算工程化的本源量子團(tuán)隊(duì)與中國科大及國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)合作，在硅基半導(dǎo)體量子芯片研究中取得重要進(jìn)展。該研究實(shí)現(xiàn)了在硅基鍺空穴量子點(diǎn)中自旋軌道耦合強(qiáng)度的高效調(diào)控，這對該體系實(shí)現(xiàn)自旋軌道開關(guān)以及提升自旋量子比特的品質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義。研究成果日前在線發(fā)表在國際應(yīng)用物理知名期刊《應(yīng)用物理評論》上。

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(tǒng)方案利用電子自旋共振方式實(shí)現(xiàn)自旋比特翻轉(zhuǎn)，這種方式的比特操控速率較慢。研究人員發(fā)現(xiàn)，利用電偶極自旋共振機(jī)制實(shí)現(xiàn)自旋比特翻轉(zhuǎn)，具備較快的操控速率。同時，比特的操控速率與體系內(nèi)的自旋軌道耦合強(qiáng)度成正相關(guān)，因此對體系內(nèi)自旋軌道耦合效應(yīng)的研究，可以為實(shí)現(xiàn)自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基礎(chǔ)。

研究人員利用一維鍺納米線具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合相互作用的特點(diǎn)，近年來開展了一系列系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。通過測量雙量子點(diǎn)中自旋阻塞區(qū)間漏電流的各向異性，首次在硅基鍺納米線的空穴量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)了朗道g因子張量和自旋軌道耦合場方向的測量與調(diào)控[Nano Letters 21, 3835-3842 (2021)]。在此基礎(chǔ)上，2022年課題組利用電偶極自旋共振實(shí)現(xiàn)了國際上最快速率的自旋量子比特操控，翻轉(zhuǎn)速率可達(dá)540MHz[Nature Communications 13, 206 (2022)]。

為了進(jìn)一步研究硅基鍺納米線空穴體系中自旋軌道耦合機(jī)制并實(shí)現(xiàn)高度的可調(diào)性，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(diǎn)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(qiáng)度。通過調(diào)節(jié)柵極電壓并改變雙量子點(diǎn)間的耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了體系中自旋軌道耦合強(qiáng)度的大范圍調(diào)控。同時研究人員指出，在近期實(shí)現(xiàn)的新型圖形化可控生長的一維鍺納米線體系中，由于其具有因界面不對稱引起的Dresselhaus自旋軌道耦合以及可以高效調(diào)節(jié)的直接Rashba自旋軌道耦合，我們可以通過調(diào)節(jié)體系內(nèi)的自旋耦合強(qiáng)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(shí)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(diǎn)（sweet spot）。這一發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)比特高保真度操控以及提升自旋量子比特的品質(zhì)提供了重要的研究基礎(chǔ)。

圖. (a)自旋軌道耦合長度（自旋軌道耦合強(qiáng)度的一種表示）隨柵極電壓VC的變化關(guān)系，(b)在動量空間中，不同機(jī)制引起的自旋軌道場用不同顏色的箭頭表示：藍(lán)色，直接Rashba自旋軌道場（BR），綠色，Dresselhaus自旋軌道場（BD），紅色，總自旋軌道場（Btotal）。當(dāng)BR和BD的幅值相等且方向相反時，紅色星星處的總自旋軌道耦合場為零，自旋軌道耦合會被關(guān)閉。

本次研究結(jié)果表明，利用電偶極自旋共振機(jī)制可實(shí)現(xiàn)硅基自旋量子比特高效調(diào)控，也為實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算奠定了重要的研究基礎(chǔ)。