“量子”为自旋量子比特的高保真度操控提供物理基础 中国科大实现硅基量子芯片中自旋轨道耦合强度的高效调控

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量子计算技术拥有极快的计算速度和极强的信息处理能力。通过量子计算机的诞生将在海量信息处理、重大科学问题研究等方面产生巨大影响，甚至在国家的国际地位、经济发展、科技进步、国防军事和信息安全等领域发挥关键性作用。

硅基自旋量子比特是硅基半导体量子计算的比特载体，其包含两个概念，一是硅基，即硅基半导体；二即为自旋量子比特。一个比特体系要想实现量子计算机研制，既要比特的性能要好，同时比特也要具有可扩展性。硅基自旋已经实现了单比特门操控保真度99.9%和两比特门操控保真度99%，硅基自旋量子比特因为其较长的量子退相干时间以及高操控保真度而受到广泛关注。同时，在比特扩展方面，由于构造硅基自旋量子比特的硅基量子点的制备和加工工艺与现代半导体工艺技术完全兼容，具有极高的可扩展性。结合了优质的比特性能和高度的可扩展性的硅基半导体自旋量子比特被认为是实现规模化量子计算机研制的核心方向之一。

除此之外，硅基自旋量子比特与现代半导体工艺相兼容的特点使其大规模扩展成为可能。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足够快的操控速率。传统的比特操控方式——电子自旋共振由于受到加热效应的限制，其翻转速率较慢。当体系中存在较强的自旋轨道耦合时，理论和实验研究都表明可以利用电偶极自旋共振实现自旋比特的翻转，其翻转速率与自旋轨道耦合强度成正比，可以大大提高比特操控速率。

中国科大郭光灿院士团队郭国平教授、李海欧教授等人与中科院物理所张建军研究员、纽约州立大学布法罗分校胡学东教授以及本源量子计算有限公司合作，针对一维锗纳米线具有较强的自旋轨道耦合相互作用的特点，开展了一系列系统性的实验研究。课题组系统地测量了自旋阻塞区间漏电流随外磁场大小和量子点能级失谐量的变化关系，通过理论建模和数值分析，得到了体系内的自旋轨道强度。通过调节栅极电压并改变双量子点间的耦合强度，实现了体系中自旋轨道耦合强度的大范围调控。

研究表明，通过调节体系内的自旋耦合强度并改变纳米线的生长方向，既可以在动量空间找到一个自旋轨道耦合完全关闭的位置，也可以利用自旋轨道开关找到在实现比特超快操控速率的同时，使得比特保持较长的量子退相干时间的最佳操控点。

对体系内自旋轨道耦合效应进行研究，可以为实现自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基础。并且，研究团队在硅基锗空穴量子点中实现了自旋轨道耦合强度的高效调控，为该体系实现自旋轨道开关以及提升自旋量子比特的品质提供了重要的指导意义。

研究成果以“Gate-Tunable Spin-Orbit Coupling in a Germanium Hole Double Quantum Dot”为题，于4月27日在线发表在国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

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