當前，量子計算發(fā)展進入飛速期，各國研究團隊分別通過超導電路、離子阱、半導體、金剛石色心，或者光子等各種介質來構建量子比特體系，實現(xiàn)量子計算。在這些技術思路中，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)代半導體工藝技術兼容，是未來實現(xiàn)量子計算機的有力候選者。如果能夠用半導體技術來實現(xiàn)量子計算，量子計算機的后續(xù)部署將更加順利。

在半導體量子計算研究中，量子比特的調控尤為重要。近日，國內唯一同時開展低溫超導和硅基半導體量子計算工程化的本源量子團隊與中國科大及國內外團隊合作，在硅基半導體量子芯片研究中取得重要進展。該研究實現(xiàn)了在硅基鍺空穴量子點中自旋軌道耦合強度的高效調控，這對該體系實現(xiàn)自旋軌道開關以及提升自旋量子比特的品質具有重要的指導意義。研究成果日前在線發(fā)表在國際應用物理知名期刊《應用物理評論》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現(xiàn)自旋比特翻轉，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制實現(xiàn)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效應的研究，可以為實現(xiàn)自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基礎。

研究人員利用一維鍺納米線具有較強的自旋軌道耦合相互作用的特點，近年來開展了一系列系統(tǒng)性的實驗研究。通過測量雙量子點中自旋阻塞區(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中實現(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(xiàn)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)]。

為了進一步研究硅基鍺納米線空穴體系中自旋軌道耦合機制并實現(xiàn)高度的可調性，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能級失諧量的變化關系，通過理論建模和數(shù)值分析，得到了體系內的自旋軌道強度。通過調節(jié)柵極電壓并改變雙量子點間的耦合強度，實現(xiàn)了體系中自旋軌道耦合強度的大范圍調控。同時研究人員指出，在近期實現(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節(jié)的直接Rashba自旋軌道耦合，我們可以通過調節(jié)體系內的自旋耦合強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閉的位置，也可以利用自旋軌道開關找到在實現(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（sweet spot）。這一發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)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. (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的變化關系，(b)在動量空間中，不同機制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。

本次研究結果表明，利用電偶極自旋共振機制可實現(xiàn)硅基自旋量子比特高效調控，也為實現(xiàn)更高質量硅基半導體量子計算奠定了重要的研究基礎。