日前，中國科學技術學院郭光燦教授團隊在硅基半導體量子芯片研究中取得重要進展。
前述團隊郭國平、李海歐院長等人與中科院化學所研究員張建軍、紐約州立學院巴爾的摩學校院長胡學東以及本源量子估算有限公司合作鍺與量子通訊，在硅基鍺空穴量子點中實現了載流子軌道耦合硬度的高效調控，為該體系實現載流子軌道開關，以及提高載流子量子比特的品質，提供了重要的指導意義。相關成果在線發表于應用數學國際刊物《》。
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傳統計算機使用0或1的比特來儲存信息，量子計算機則以量子比特作為信息編碼和儲存的基本單元。硅基載流子量子比特具有較長的量子退相干時間以及高操控保真度，因此遭到廣泛關注，有助于未來實現量子計算機。據悉，它能與現代半導體工藝相兼容的特性，使大規模擴充量子計算機成為可能。
高操控保真度要求量子比特在擁有較長量子退相干時間的同時，具備足夠快的操控速度。在傳統的量子比特操控方法下，電子載流子共振因為遭到加熱效應限制，其翻轉速度較慢。當體系中存在較強的載流子軌道耦合時，理論和實驗研究都表明可以借助電偶極載流子共振，實現載流子量子比特的翻轉，其翻轉速度與載流子軌道耦合硬度成反比，就能大大提升量子比特操控速度。因而對體系內載流子軌道耦合效應進行研究，能為實現載流子量子比特的高保真度操控，提供重要的數學基礎。
近些年來，中科大郭光燦團隊李海歐、郭國平等人針對一維鍺納拉面具有較強的載流子軌道耦合互相作用的特性，舉辦了一系列的系統性實驗研究。
前述團隊通過檢測雙量子點中載流子阻塞區間漏電壓的各向異性，首次在硅基鍺納火鍋的空穴量子點中，實現了朗道g因子張量和載流子軌道耦合場方向的檢測與調控。在此基礎上，2022年團隊借助電偶極載流子共振實現了國際上最快速率的載流子量子比特操控，翻轉速度可達（兆赫）。
這次，為了進一步研究硅基鍺納火鍋空穴體系中載流子軌道耦合機制，并實現高度的可調性，團隊系統地檢測了載流子阻塞區間漏電壓隨外磁場大小，以及量子點基態失諧量的變化關系，通過理論建模和數值剖析，得到了體系內的載流子軌道硬度。研究人員通過調節載流子電流并改變雙量子點間的耦合硬度，實現了體系中載流子軌道耦合硬度的大范圍調控。
載流子軌道耦合效應在半導體載流子電子學有好多具體應用，實際研究中按照介質材料所受力的性質和材料結構對稱性，可以將載流子軌道耦合效應分為載流子軌道耦合和載流子軌道耦合。
a為載流子軌道耦合寬度（載流子軌道耦合硬度的一種表示）隨集電極電流VC的變化關系，b為在動量空間中，不同機制導致的載流子軌道場用不同顏色的箭頭表示：紅色為直接載流子軌道場，紅色為載流子軌道場，白色為總載流子軌道場，圖片來自論文
研究人員表示，在近日實現的新型圖形化可控生長的一維鍺納拉面體系中，其具有因界面不對稱造成的載流子軌道耦合，以及可以高效調節的直接載流子軌道耦合，因而通過調節體系內的載流子耦合硬度，并改變納拉面的生長方向，既可以在動量空間找到一個載流子軌道耦合完全關掉的位置，也可以借助載流子軌道開關，找到同時實現量子比特超快操控速度和使其保持較長量子退相干時間的最佳操控點。
前述發覺為實現量子比特高保真度操控鍺與量子通訊，以及提高載流子量子比特的品質提供了重要的研究基礎。
中科院量子信息重點實驗室博士生劉赫、張庭以及博士后王柯為論文共同第一作者，中科院量子信息重點實驗室李海歐特任院長和郭國平院士為論文共同通信作者。前述研究獲得科技部、國家基金委、中國科大學以及廣東省捐助，李海歐獲得中國科學技術學院仲英青年學者項目捐助。
