硅基半導體自旋量子比特以其長量子退相干時間和高操控保真度，以及其與現代半導體工藝技術兼容的高可擴展性，成為量子計算研究的核心方向之一。高操控保真度要求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率。傳統方案利用電子自旋共振方式實現自旋比特翻轉，這種方式的比特操控速率較慢。研究人員發現，利用電偶極自旋共振可以實現更快速率的自旋比特操控。電偶極自旋共振的一種方案是通過嵌入器件中的微磁體結構所產生的“人造自旋軌道耦合”來實現，但這會使自旋量子比特感受到更強的電荷噪聲，從而降低自旋量子比特的退相干時間，同時降低自旋量子比特陣列的平均操控保真度，阻礙硅基自旋量子比特單元的二維擴展。另一種有效方案是使用材料中天然存在的自旋軌道耦合進行自旋量子比特操控。

 

硅基鍺量子點中的空穴載流子處于P軌道態，因而天然具有較強的本征自旋軌道耦合效應和較弱的超精細相互作用。利用電偶極自旋共振技術，僅通過單個交變電場即可實現對空穴自旋量子比特的全電學控制，大大簡化了量子比特的制備工藝，有利于實現硅基自旋量子比特單元的二維擴展。鑒于此，近幾年硅基鍺空穴體系中的自旋軌道耦合研究和實現超快自旋量子比特操控成為該領域關注的熱點。

 

自旋軌道耦合場的方向會影響自旋比特操控速率及比特初始化與讀取的保真度。因此，測量并確定自旋軌道耦合場的方向是實現高保真度自旋量子比特的首要任務。研究組在2021年首次在硅基鍺量子線空穴量子點中實現了朗道g因子張量和自旋軌道耦合場方向的測量與調控[NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基礎上，李海歐等人進一步優化器件性能，在耦合強度高度可調的雙量子點中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞讀取，觀測到了多能級的電偶極自旋共振譜。通過調節和選擇共振譜中所展示的不同自旋翻轉模式，實現了自旋翻轉速率超過540MHz的自旋量子比特超快操控。研究人員通過建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要貢獻來自于該體系的強自旋軌道耦合效應（超短的自旋軌道耦合長度）。研究結果表明硅基鍺空穴自旋量子比特是實現全電控量子比特操控與擴展的重要候選體系，為實現硅基半導體量子計算奠定了重要研究基礎。

圖1. (a)硅基鍺量子線空穴雙量子點和自旋比特操控示意圖，(b)自旋比特翻轉速率隨微波功率增加而增加， (c)微波功率為9dBm時，自旋比特操控速率可達542MHz。

 

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（已畢業）為論文共同第一作者。中科院量子信息重點實驗室郭國平教授、李海歐研究員和中科院物理所張建軍研究員為論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院以及安徽省的資助。李海歐研究員得到了中國科學技術大學仲英青年學者項目的資助。

 

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27880-7