当前已知最快速率，硅基自旋量子比特实现1.2GHz超快调控

shuszhao · 发表于 2023-5-15 09:13:25

中国科学技术大学官网获悉，该校郭光灿院士团队在硅基半导体量子计算研究中取得重要进展，在硅基锗量子点中实现了自旋量子比特操控速率的电场调控，以及自旋翻转速率超过1.2 GHz的自旋量子比特超快操控，该速率是国际上半导体量子点体系中已报道的最高值，对提升自旋量子比特的品质具有重要的指导意义。研究成果日前以“Ultrafast and Electrically Tunable Rabi Frequency in a Germanium Hut Wire Hole Spin Qubit”为题在线发表在国际期刊《纳米快报》(Nano Letters)上。

硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为实现量子计算机研制的重要候选者之一。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。

研究人员发现，利用电偶极自旋共振机制实现自旋比特翻转，具备较快的操控速率。同时，比特的操控速率与体系内的自旋轨道耦合强度呈正相关，因此对体系内自旋轨道耦合强度的有效调控，是实现自旋量子比特高保真度操控重要的物理基础。其中体系中的电场是调节自旋轨道耦合强度的一个重要手段，用以实现电场对自旋量子比特性质的高效调控。

样品结构示意图及相关测试结果(来源：Nano Letters)

为进一步提升自旋量子比特的性能，该团队在前期研究的基础上，经过实验探究发现体系内的电场参数(量子点失谐量和栅极电压)对自旋量子比特的操控速率具有明显的调制作用。通过物理建模和数据分析，研究人员利用电场强度对体系内自旋轨道耦合效应的调制作用，以及量子点中轨道激发态对比特操控速率的贡献，自洽地解释了电场对自旋量子比特操控速率调制的实验结果。并在实验中进一步测得了超过1.2GHz的自旋比特超快操控速率，这刷新了该课题组在2022年创造的半导体自旋比特操控速率540MHz的最快纪录。据悉，该项目由郭光灿院士团队郭国平教授、李海欧教授等人与南科大量子科学与工程研究院黄培豪助理研究员、中科院物理研究所张建军研究员以及本源量子计算有限公司合作完成，对研究空穴自旋量子比特操控的物理机制，以及推动硅基半导体量子计算研究具有重要的指导意义。