中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在硅基半導(dǎo)體量子芯片研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)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(xué)布法羅分校胡學(xué)東教授以及本源量子計(jì)算有限公司合作，在硅基鍺空穴量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)了自旋軌道耦合強(qiáng)度的高效調(diào)控，為該體系實(shí)現(xiàn)自旋軌道開關(guān)以及提升自旋量子比特的品質(zhì)提供了重要的指導(dǎo)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(yīng)用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

　　硅基自旋量子比特因?yàn)槠漭^長(zhǎng)的量子退相干時(shí)間以及高操控保真度而受到廣泛關(guān)注，是未來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。除此之外它與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝相兼容的特點(diǎn)使其大規(guī)模擴(kuò)展成為可能。高操控保真度要求比特在擁有較長(zhǎng)的量子退相干時(shí)間的同時(shí)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(yīng)的限制，其翻轉(zhuǎn)速率較慢。當(dāng)體系中存在較強(qiáng)的自旋軌道耦合時(shí)，理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明可以利用電偶極自旋共振實(shí)現(xiàn)自旋比特的翻轉(zhuǎn)，其翻轉(zhuǎn)速率與自旋軌道耦合強(qiáng)度成正比，可以大大提高比特操控速率。因此對(duì)體系內(nèi)自旋軌道耦合效應(yīng)進(jìn)行研究，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)。

　　李海歐、郭國平等人針對(duì)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(cè)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(chǎng)方向的測(cè)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(cè)量了自旋阻塞區(qū)間漏電流隨外磁場(chǎng)大小和量子點(diǎn)能級(jí)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(shí)研究人員指出，在近期實(shí)現(xiàn)的新型圖形化可控生長(zhǎng)的一維鍺納米線體系中，由于其具有因界面不對(duì)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(zhǎng)方向，既可以在動(dòng)量空間找到一個(gè)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(shí)，使得比特保持較長(zhǎng)的量子退相干時(shí)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1. (a)自旋軌道耦合長(zhǎng)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(dòng)量空間中，不同機(jī)制引起的自旋軌道場(chǎng)用不同顏色的箭頭表示：藍(lán)色，直接Rashba自旋軌道場(chǎng)(BR)，綠色，Dresselhaus自旋軌道場(chǎng)(BD)，紅色，總自旋軌道場(chǎng)(Btotal)。當(dāng)BR和BD的幅值相等且方向相反時(shí)，紅色星星處的總自旋軌道耦合場(chǎng)為零，自旋軌道耦合會(huì)被關(guān)閉。

　　中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生劉赫、張庭以及博士后王柯為論文共同第一作者，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李海歐特任教授和郭國平教授為論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院以及安徽省的資助。李海歐特任教授得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者項(xiàng)目的資助。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.044052