日前，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院郭光燦教授團隊在硅基半導(dǎo)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(xué)所研究員張建軍、紐約州立學(xué)院巴爾的摩學(xué)校院長胡學(xué)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(xiàn)了載流子軌道耦合硬度的高效調(diào)控，為該體系實現(xiàn)載流子軌道開關(guān)，以及提高載流子量子比特的品質(zhì)，提供了重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)成果在線發(fā)表于應(yīng)用數(shù)學(xué)國際刊物《》。
圖片來自
傳統(tǒng)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(guān)注，有助于未來實現(xiàn)量子計算機。據(jù)悉，它能與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝相兼容的特性，使大規(guī)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(tǒng)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(yīng)限制，其翻轉(zhuǎn)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(xiàn)載流子量子比特的翻轉(zhuǎn)，其翻轉(zhuǎn)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(nèi)載流子軌道耦合效應(yīng)進行研究，能為實現(xiàn)載流子量子比特的高保真度操控，提供重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
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(tǒng)性實驗研究。
前述團隊通過檢測雙量子點中載流子阻塞區(qū)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(xiàn)了朗道g因子張量和載流子軌道耦合場方向的檢測與調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，2022年團隊借助電偶極載流子共振實現(xiàn)了國際上最快速率的載流子量子比特操控，翻轉(zhuǎn)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(xiàn)高度的可調(diào)性，團隊系統(tǒng)地檢測了載流子阻塞區(qū)間漏電壓隨外磁場大小，以及量子點基態(tài)失諧量的變化關(guān)系，通過理論建模和數(shù)值剖析，得到了體系內(nèi)的載流子軌道硬度。研究人員通過調(diào)節(jié)載流子電流并改變雙量子點間的耦合硬度，實現(xiàn)了體系中載流子軌道耦合硬度的大范圍調(diào)控。
載流子軌道耦合效應(yīng)在半導(dǎo)體載流子電子學(xué)有好多具體應(yīng)用，實際研究中按照介質(zhì)材料所受力的性質(zhì)和材料結(jié)構(gòu)對稱性，可以將載流子軌道耦合效應(yīng)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(guān)系，b為在動量空間中，不同機制導(dǎo)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(xiàn)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(diào)節(jié)的直接載流子軌道耦合，因而通過調(diào)節(jié)體系內(nèi)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(guān)掉的位置，也可以借助載流子軌道開關(guān)，找到同時實現(xiàn)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(fā)覺為實現(xiàn)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(zhì)提供了重要的研究基礎(chǔ)。
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(xué)以及廣東省捐助，李海歐獲得中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院仲英青年學(xué)者項目捐助。
