中国科大发现硅基自旋量子比特操控优化的新方法

2021年04月29日

中国科大发现硅基自旋量子比特操控优化的新方法

我校郭光灿院士团队在硅基自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队郭国平、李海欧研究组与合作者以及本源量子计算公司合作，对集成微磁体的硅基量子点进行研究，发现了自旋量子比特操控的各向异性：通过改变外加磁场与硅片晶向的相对方向，可以将自旋量子比特的操控速率、退相干速率和可寻址性进行同时优化。该研究成果发表在4月27日出版的国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

硅基自旋量子比特以其超长的量子退相干时间，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。近几年，基于硅平面晶体管（Si MOS）、硅/硅锗异质结构造的自旋量子比特的单比特控制保真度可以达到99.9%，两比特控制保真度可以达到99%，最多的比特操控数目可以达到6个，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等国际巨头企业均已利用自身在半导体工业的优势积累，开始参与硅基半导体量子计算研究。然而，通过嵌入微磁体进行量子比特操控的硅基量子点会大幅增加电荷噪声对量子比特操控的影响，降低量子比特阵列的平均操控保真度，阻碍硅基量子比特阵列的进一步扩展。

为了抑制微磁体可能对比特操控的不利影响，传统的方法是优化微磁体形状的设计，增强横向磁场梯度的同时抑制纵向磁场梯度。然而，当量子比特阵列扩展起来之后，微磁体形状的优化设计受到阻碍。另一种更为有效的方法是原位调节磁场方向，例如已报道的在不含有微磁体的硅半导体量子点中，通过调节磁场方向可以有效改变本征自旋-轨道耦合的大小，改变比特操控频率、调节量子比特退相干时间，进而优化量子比特操控。然而，对于嵌入微磁体的硅量子点，通过调节微磁体性质进行量子比特操控优化的工作尚无相关报道。

李海欧、郭国平等人通过制备高质量的集成微磁体的Si MOS量子点，实现了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读出，并以此测量技术为基础研究了外加磁场方向对自旋量子比特操控的影响。研究人员发现，当施加的面内磁场到达某一特定角度时，操控速率可以保持较高的水平而电荷噪声引起的退相干被大大抑制，而量子比特的寻址特性又被维持在一个较高的水平。这一特点说明通过旋转磁场方向，硅基自旋量子比特的操控速率、退相干时间和可寻址性得到同时优化。研究人员同时发现，在旋转磁场的过程中，面内横向磁场梯度起到了不可忽视的作用，这也暗示了旋转磁场方向对研究含有微磁体的自旋轨道耦合——合成自旋轨道耦合的丰富物理内涵具有重要意义。

该工作得到了审稿人的高度评价：“能够理解并且预测微磁体器件的最优工作点是非常有用的，这些结果对这个领域来说是非常有价值的贡献(Being able to understand and predict good operating points of micromagnet devices is useful and these results are a valuable contribution to the field)”。该工作同时也得到了同行的高度关注，专注硅基自旋量子比特的理论物理学家Yujun Choi和Robert Joynt在近期的文章（arXiv:2103.05865）中表示该项成果展示了通过改变磁场方向优化量子比特操控的实验方面的努力（Indeed, experiments to optimize qubit operation by so changing the direction of the field using a vector magnet have been carried out）。

图1. 利用磁场的各向异性优化硅基半导体自旋量子比特操控示意图。

郭国平教授研究组长期致力于半导体量子芯片的研发，于2014年开始开展基于自旋量子比特的硅基半导体量子计算研究，2020年在[Phys. Rev. Lett. 124, 257701 (2020)]上发表文章，在实验中发现了硅基自旋量子比特寿命的强各向异性，将量子比特弛豫时间提高2个数量级。在之前研究的基础上，此次关于量子比特操控的进展进一步提升了量子比特操控的优化空间，为实现高保真度的多量子比特扩展的硅基量子计算研究打下了坚实的基础。

中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧研究员为论文共同通讯作者，博士生张鑫、周圆为论文共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.044042

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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