中國科大實現硅基自旋量子比特壽命的高效調控

                              發布時間:2020-06-29

                              我校郭光燦院士團隊在延長硅基自旋量子比特壽命(馳豫時間)研究中取得重要進展足彩外围平台_外围足彩平台。該團隊固態量子計算研究組郭國平教授、李海鷗研究員等人與中科院微電子所集成電路先導工藝研發中心王桂磊副研究員、美國加州大學洛杉磯分校姜弘文教授和美國紐約州立大學布法羅分校胡學東教授,以及本源量子計算公司合作,在國際上首次發現了硅基自旋量子比特馳豫的強各向異性:通過改變外加磁場與硅片晶向的相對方向,可以將自旋量子比特壽命提高兩個數量級以上。該研究成果發表在6月23日出版的國際物理學知名期刊《Physical Review Letters》上。文章入選編輯推薦(Editors' Suggestion),并被美國物理學會旗下在線網站“物理(physics.aps.org)”以“Cooling a Spin Relaxtion Hot-Spot(冷卻自旋弛豫的熱點)”為題,進行了精選報道(Featured in Physics)。

                                  硅基自旋量子比特以其超長的量子退相干時間,以及與現代半導體工藝技術兼容的高可擴展性,成為量子計算研究的核心方向之一。近幾年,基于硅平面晶體管(Si MOS)和硅鍺異質結構構造的自旋量子比特的弛豫時間已經超過百毫秒足彩外围平台_外围足彩平台,量子退相干時間也已超過百毫秒,其單比特控制保真度可以達到99.9%足彩外围平台_外围足彩平台,兩比特控制保真度可以達到98%足彩外围平台_外围足彩平台,包括Intel、CEA-Leti、IMEC等國際巨頭企業已利用自身在半導體工業的優勢積累,開始參與硅基半導體量子計算研究足彩外围平台_外围足彩平台。然而,硅基量子點中天然存在谷能級,在某些情況下自旋量子比特的弛豫時間到1毫秒以下甚至到1微秒,形成自旋比特弛豫速率的“熱點”。在比特數目增加后足彩外围平台_外围足彩平台,這一現象會使比特陣列中出現“壞點”的幾率大大增加,阻礙了硅基自旋量子比特的進一步擴展。

                                  為了抑制自旋-谷混合的不利影響,傳統的方法是增加硅量子點中的谷能級劈裂的大小,使得自旋量子比特操控點遠離自旋-谷混合的位置足彩外围平台_外围足彩平台足彩外围平台_外围足彩平台。然而足彩外围平台_外围足彩平台,由于谷能級劈裂大小受到硅襯底表面粗糙度影響(尤其是硅鍺異質結),其大小并不容易控制。另一種更為直接有效的方法是調節自旋-谷混合的強度,來抑制其不利影響。之前有文獻報道,在砷化鎵半導體量子點中,可以調節磁場方向以改變自旋-軌道耦合的大小,并延長自旋弛豫時間。但是對于磁場強度和方向是否能用來調節硅量子點中自旋-谷混合的強度尚無相關報道。

                                  李海鷗、郭國平等人通過制備高質量的Si MOS量子點,實現了自旋量子比特的單發讀出,并以此測量技術為基礎研究了外加磁場強度和方向對自旋量子比特弛豫速率的影響。研究人員發現,當施加的面內磁場到達某一特定角度時,“熱點”附近的自旋弛豫速率可以被迅速“冷卻”,降低100倍以上足彩外围平台_外围足彩平台,同時自旋弛豫時間從不到1毫秒增加到100毫秒以上足彩外围平台_外围足彩平台。這一變化說明自旋-谷混合的大小被有效抑制,為研究自旋-谷混合以及如何消除自旋-谷混合對自旋量子比特帶來的不利影響提供了研究基礎。研究人員同時發現,“熱點”附近自旋弛豫時間的各向異性在增加電場強度后,仍可以保持100倍的強度,說明這一特性受電場的影響較弱,可以應用到包含大量不同大小的局域電場的量子畢業陣列中足彩外围平台_外围足彩平台,為優化硅基自旋量子比特的讀出、操控以及多比特擴展提供了新的方向。

                              圖1.硅基半導體自旋量子比特芯片裝置示意圖和自旋弛豫速率的強各向異性足彩外围平台_外围足彩平台。

                                  該工作得到了審稿人的高度評價:“這個工作對于闡明物理機制和解決尋找操控硅量子點中自旋自由度的最優工作點這種實際問題做出了重要貢獻(This work makes an important contribution to unraveling the underlying phenomena and solving the practical problem of finding the optimum silicon quantum dots)”;“這個工作使得對自旋、谷和軌道等自由度的相互作用的物理理解被提高到了一個新的高度(The physical understanding of the interplay of spin,valley and orbital degrees of freedom is taken to a next level with this work.)”。

                                  郭國平教授研究組長期致力于半導體量子芯片的研發,于2014年開始開展基于自旋量子比特的硅基半導體量子計算研究足彩外围平台_外围足彩平台足彩外围平台_外围足彩平台。該研究組的目標是基于硅基自旋量子比特構建可擴展的高保真度的單比特和兩比特邏輯門單元庫,從材料結構設計、器件制備到量子比特操控和多比特擴展,研發可擴展的固態量子計算架構,進一步利用硅基產線工藝開展規?;孔有酒难兄?。

                                  中科院量子信息重點實驗室郭國平教授足彩外围平台_外围足彩平台、李海鷗特任研究員為論文共同通訊作者,博士生張鑫、胡睿梓為論文共同第一作者,中科院微電子所集成電路先導工藝研發中心王桂磊副研究員提供硅基材料和8英寸工藝支持。該工作得到了科技部足彩外围平台_外围足彩平台、國家基金委足彩外围平台_外围足彩平台、中國科學院、安徽省以及中國科技大學的資助。部分樣品加工過程在中國科學技術大學微納研究與制造中心完成。

                                  論文鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.257701


                              足彩外围平台_外围足彩平台