最新進展，中國科學技術學院郭光燦教授團隊在硅基半導體載流子量子比特操控研究中取得飛越進展。
該團隊由郭國平院士、李海歐研究員與中科院化學所張建軍研究員等人和日本、澳大利亞的研究人員以及本源量子估算公司合作，實現了硅基載流子量子比特的超快操控鍺與量子通訊，其載流子翻轉速度超過，是目前國際上已報導的最高值。
研究成果以“ofaqubitinadot”為題，于1月11日在線發表在國際著名刊物《自然?通信》上[1]。
1.硅基半導體量子估算
硅基半導體載流子量子比特以其長量子退相干時間和高操控保真度，以及與現代半導體工藝技術兼容的高可擴充性，是量子估算研究的核心方向之一，同時也是量子機開發獨具關注的一個方向。
業界著名的玩家，有法國新南威爾士學院量子估算與通信技術中心(CQC2T),過去她們就宣布成功解決了通過重新建立傳統硅基微處理器的方法創造出一套完整的硅基量子估算芯片設計方案。
John院長曾是微軟量子團隊的靈魂人物，團隊在其率領下推動微軟實現了“量子霸權”，證明了量子計算機對于傳統計算機的無與倫比的優越性，但前面還是選擇了硅基半導體量子比特建立量子計算機的方向（閱：硅量子估算或迎來爆發期，微軟前量子估算負責人John即將加入SQC）。
而就在一個月前，新的初創公司獲得了約合人民幣7182萬的混和(贈款和股權)資金（閱：硅量子估算公司再獲增資1000萬美元），該公司也是主攻硅基量子方向。
而上文中提及的本源量子，公開資料顯示該公司不僅在高溫超導量子估算領域布局，也是國外惟一同時舉辦硅基半導體量子估算工程化的企業。
為此，郭光燦教授團隊的研究成果也在推動著這一個方向的推動。
2.高操控保真度是真挑戰
高操控保真度要求量子比特在擁有較長的量子退相干時間的同時具備更快的操控速度。借助電子載流子共振方法實現載流子比特翻轉的方案，比特操控速度較慢，研究人員發覺，借助電偶極載流子共振可以實現更快速率的載流子比特操控。
電偶極載流子共振主要通過嵌入元件中的微磁極結構所形成的“人造載流子軌道耦合”來實現，這促使載流子量子比特感遭到了更強的電荷噪音，因而增加了載流子量子比特的退相干時間，同時增加了載流子量子比特陣列的平均操控保真度，妨礙了硅基載流子量子比特單元的二維擴充。
一種可行的有效方案是使用材料中天然存在的載流子軌道耦合進行載流子量子比特操控。
硅基量子點中的空穴自旋處于P軌道態，因此天然具有強的本征載流子軌道耦合效應和弱的超精細互相作用。借助電偶極載流子共振技術，通過一個交變電場就可以實現對空穴載流子量子比特的全熱學控制，大大簡化了量子比特的制備工藝鍺與量子通訊，有利于實現硅基載流子量子比特單元的二維擴充。
鑒于此，近幾年硅基空穴體系中載流子軌道耦合研究和實現超快載流子量子比特操控成為領域關注的熱點。
載流子軌道耦合場的方向會影響載流子比特操控速度以及比特初始化與讀取的保真度，檢測并確定載流子軌道耦合場的方向是首要任務，研究組在2021年首次在鍺硅納火鍋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[Nano21,3835-3842(2021)]。
在此基礎上，李海歐等人進一步優化元件性能，在耦合硬度高度可調的雙量子點中完成了載流子量子比特的泡利載流子阻塞讀取，觀測到了多基態的電偶極載流子共振譜。通過調節和選擇不同的載流子翻轉模式，實現了載流子翻轉速度超過540MHz的載流子量子比特超快操控。
圖1.(a)鍺硅納拉面空穴雙量子點和載流子比特操控示意圖，(b)載流子比特翻轉速度隨微波功率降低而降低，(c)微波功率為9dBm時，載流子比特操控速度可達。
研究人員通過建模剖析，闡明了超快載流子量子比特操控速度的主要貢獻，來自于該體系的強載流子軌道耦合效應(超短的載流子軌道耦合寬度)。研究結果表明鍺硅空穴載流子量子比特體系是實現全電控半導體量子估算的重要候選之一，為半導體量子估算研究開拓了一個新的領域。
據對外的發文顯示，中科院量子信息重點實驗室博士后王柯和博士研究生徐剛(已結業)為論文共同第一作者。
中科院量子信息重點實驗室郭國平院士、李海歐研究員和中科院化學所張建軍研究員為論文共同通信作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科大學以及廣東省的捐助。李海歐研究員得到了中國科學技術學院仲英青年學者項目的捐助。
引用：