硅基半导体自旋量子比特实现超快操控

该校郭光灿院士团队郭国平教授等与国内外研究者合作,实现了硅基自旋量子比特的超快操控,其自旋翻转速率超过540MHz(兆赫),这也是目前国际上已报道的最高值。研究成果日前在线发表在国际期刊《自然·通讯》上。

硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度,以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性,成为量子计算研究的核心方向之一。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转,这种方式的比特操控速率较慢。近几年,硅基锗空穴体系中的自旋轨道耦合研究和实现超快自旋量子比特操控成为热点。

由于自旋轨道耦合场的方向会影响自旋比特操控速率及比特初始化与读取的保真度,因此测量并确定自旋轨道耦合场的方向是实现高保真度自旋量子比特的首要任务。研究人员进一步优化器件性能,在耦合强度高度可调的双量子点中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读取,观测到了多能级的电偶极自旋共振谱。通过调节和选择共振谱中所展示的不同自旋翻转模式,实现了自旋翻转速率超过540MHz的自旋量子比特超快操控。

研究人员通过建模分析,揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要贡献来自该体系的强自旋轨道耦合效应。研究结果表明硅基锗空穴自旋量子比特是实现全电控量子比特操控与扩展的重要候选体系,为实现硅基半导体量子计算奠定了重要研究基础。

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