C114訊 5月19日消息(余予)來(lái)自中國(guó)科大的消息顯示,中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平、李海歐等人與中科院物理所張建軍和本源量子計(jì)算有限公司合作,在硅基半導(dǎo)體鍺納米線量子芯片研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次在硅基鍺空穴量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)朗道g因子張量和自旋軌道耦合場(chǎng)方向的測(cè)量與調(diào)控,對(duì)于該體系更好地實(shí)現(xiàn)自旋量子比特操控及尋找馬約拉納費(fèi)米子有著重要的指導(dǎo)意義。

據(jù)了解,近年來(lái),對(duì)自旋軌道耦合的研究一直是半導(dǎo)體量子計(jì)算和拓?fù)淞孔佑?jì)算研究的熱點(diǎn)。

半導(dǎo)體材料中的自旋軌道相互作用能夠使粒子的自旋與軌道這兩個(gè)自由度耦合在一起,該機(jī)制在實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)器件、自旋量子比特操控及尋找馬約拉納費(fèi)米子中起著舉足輕重的作用。在半導(dǎo)體自旋量子比特操控研究中,現(xiàn)有的自旋量子比特的操控方式依賴(lài)于樣品制備中集成的微波天線或微磁體這些可以產(chǎn)生人造調(diào)制磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu),這使得量子比特大規(guī)模擴(kuò)展時(shí)在可尋址和芯片結(jié)構(gòu)制備方面受到制約;同時(shí),微磁體結(jié)構(gòu)會(huì)使自旋量子比特感受到更強(qiáng)的電荷噪聲,導(dǎo)致自旋量子比特退相干時(shí)間的降低。

因此,一種可行的解決方案是用材料中存在的自旋軌道耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)全電學(xué)的自旋量子比特操控。

對(duì)于一維硅基鍺納米線空穴量子點(diǎn)而言,我們可以利用電偶極自旋共振技術(shù),通過(guò)施加交變電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋量子比特的全電學(xué)控制,大大簡(jiǎn)化了量子比特的制備工藝,有利于實(shí)現(xiàn)硅基量子計(jì)算自旋比特單元的二維擴(kuò)展;同時(shí),在自旋軌道耦合的電偶極自旋共振操控方式下,比特的操控速率與自旋軌道耦合強(qiáng)度成正比,因此我們可以通過(guò)改變外加電場(chǎng)的方式來(lái)增強(qiáng)自旋軌道耦合強(qiáng)度從而實(shí)現(xiàn)更快的比特操控速率;除此之外,自旋軌道耦合場(chǎng)的方向也會(huì)影響自旋量子比特的操控速率以及比特初始化與讀取的保真度。

因此,在利用自旋軌道耦合實(shí)現(xiàn)自旋量子比特操控時(shí),確定和調(diào)控自旋軌道耦合場(chǎng)的方向顯得尤為重要。

圖1． 硅基鍺納米線空穴雙量子點(diǎn)中g(shù)因子張量及自旋軌道耦合場(chǎng)方向。

研究團(tuán)隊(duì)在制備的高質(zhì)量的硅基鍺空穴載流子雙量子點(diǎn)中觀察到了自旋阻塞效應(yīng),并在自旋阻塞區(qū)域測(cè)量了由自旋弛豫引起的漏電流大小隨磁場(chǎng)大小及磁場(chǎng)方向的變化關(guān)系,通過(guò)理論分析,得到了該體系具有強(qiáng)各向異性的g因子張量,同時(shí)確定了自旋軌道耦合場(chǎng)的方向位于鍺納米線襯底面內(nèi)并與鍺納米線方向成59°,以上發(fā)現(xiàn)說(shuō)明體系中除了存在垂直于鍺納米線的Rashba自旋軌道耦合,還存在著沿著納米線方向的可能是由界面不對(duì)稱(chēng)性引起的Dresselhaus自旋軌道耦合。

研究過(guò)程中可以通過(guò)改變納米線的生長(zhǎng)方向使得上述兩種自旋軌道耦合方向相反大小相等,從而實(shí)現(xiàn)自旋軌道耦合的開(kāi)關(guān)。

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)該體系在自旋量子比特制備與操控研究中,在保持超快比特操控速率的同時(shí)進(jìn)一步延長(zhǎng)比特的退相干時(shí)間提供了新的思路,為全電控規(guī)模化硅基自旋量子比特芯片研究奠定了物理基礎(chǔ)。

該成果于5月12日在國(guó)際納米器件物理知名期刊《Nano Letters》上發(fā)表。中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭國(guó)平教授、李海歐研究員為論文共同通訊作者,中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生張庭、劉赫以及中科院物理研究所博士后高飛為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。