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中國科學技術大學實現矽基量子芯片中自旋軌道耦合強度的高效調控
中國科學技術大學郭光燦院士團隊在矽基半導體量子芯片研究中取得重要進展。該團隊郭國平教授、李海歐教授等人與中科院物理所張建軍研究員、紐約州立大學布法羅分校胡學東教授以及本源量子計算有限公司合作，在矽基鍺空穴量子點中實現了自旋軌道耦合強度的高效調控，為該體係實現自旋軌道開關以及提升自旋量子比特的品質提供了重要的指導意義。研究成果以“Gate-Tunable Spin-Orbit Coupling in a Germanium Hole Double Quantum Dot”為題，於4月27日在線發表在國際應用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。
矽基自旋量子比特因為其較長的量子退相幹時間以及高操控保真度而受到廣泛關注，是未來實現量子計算機的有力競爭者。除此之外它與現代半導體工藝相兼容的特點使其大規模擴展成為可能。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足夠快的操控速率。傳統的比特操控方式——電子自旋共振由於受到加熱效應的限製，其翻轉速率較慢。當體係中存在較強的自旋軌道耦合時，理論和實驗研究都表明可以利用電偶極自旋共振實現自旋比特的翻轉，其翻轉速率與自旋軌道耦合強度成正比，可以大大提高比特操控速率。因此對體係內自旋軌道耦合效應進行研究，可以為實現自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基礎。
李海歐、郭國平等人針對一維鍺納米線具有較強的自旋軌道耦合相互作用的特點，近年來開展了一係列係統性的實驗研究。通過測量雙量子點中自旋阻塞區間漏電流的各向異性，首次在矽基鍺納米線的空穴量子點中實現了朗道g因子張量和自旋軌道耦合場方向的測量與調控 [Nano Letters 21, 3835-3842 (2021)]。在此基礎上，2022年課題組利用電偶極自旋共振實現了國際上最快速率的自旋量子比特操控，翻轉速率可達540MHz[Nature Communications 13, 206 (2022)]。
為了進一步研究矽基鍺納米線空穴體係中自旋軌道耦合機製並實現高度的可調性，課題組係統地測量了自旋阻塞區間漏電流隨外磁場大小和量子點能級失諧量的變化關係，通過理論建模和數值分析，得到了體係內的自旋軌道強度。通過調節柵極電壓並改變雙量子點間的耦合強度，實現了體係中自旋軌道耦合強度的大範圍調控。同時研究人員指出，在近期實現的新型圖形化可控生長的一維鍺納米線體係中，由於其具有因界麵不對稱引起的Dresselhaus自旋軌道耦合以及可以高效調節的直接Rashba自旋軌道耦合，我們可以通過調節體係內的自旋耦合強度並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閉的位置，也可以利用自旋軌道開關找到在實現比特超快操控速率的同時，使得比特保持較長的量子退相幹時間的最佳操控點（sweet spot）。這一發現為實現比特高保真度操控以及提升自旋量子比特的品質提供了重要的研究基礎。
圖1. (a)自旋軌道耦合長度（自旋軌道耦合強度的一種表示）隨柵極電壓VC的變化關係，(b)在動量空間中，不同機製引起的自旋軌道場用不同顏色的箭頭表示：藍色，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閉。
中科院量子信息重點實驗室博士生劉赫、張庭以及博士後王柯為論文共同第一作者，中科院量子信息重點實驗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、中國科學院以及安徽省的資助。李海歐特任教授得到了中國科學技術大學仲英青年學者項目的資助。
（來源：中國科學技術大學）
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