中國科大實現硅基自旋量子比特壽命的高效調控_風聞

來源：中科大官網

我校郭光燦院士團隊在延長硅基自旋量子比特壽命（弛豫時間）研究中取得重要進展。該團隊固態量子計算研究組郭國平教授、李海歐研究員等人與中科院微電子所集成電路先導工藝研發中心王桂磊副研究員、美國加州大學洛杉磯分校姜弘文教授和美國紐約州立大學布法羅分校胡學東教授，以及本源量子計算公司合作，在國際上首次發現了硅基自旋量子比特弛豫的強各向異性：通過改變外加磁場與硅片晶向的相對方向，可以將自旋量子比特壽命提高兩個數量級以上。該研究成果發表在6月23日出版的國際物理學知名期刊《Physical Review Letters》上。文章入選編輯推薦（Editors’ Suggestion），並被美國物理學會旗下在線網站“物理(physics.aps.org)”以“Cooling a Spin Relaxation Hot-Spot (冷卻自旋弛豫的熱點)”為題，進行了精選報道（Featured in Physics）。

硅基自旋量子比特以其超長的量子退相干時間，以及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。近幾年，基於硅平面晶體管（Si MOS）和硅鍺異質結構造的自旋量子比特的弛豫時間已經超過百毫秒，量子退相干時間也已超過百微秒，其單比特控制保真度可以達到99.9%，兩比特控制保真度可以達到98%，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等國際巨頭企業均已利用自身在半導體工業的優勢積累，開始參與硅基半導體量子計算研究。然而，硅基量子點中天然存在谷能級，在某些情況下自旋和谷能級會發生相互混合(自旋-谷混合)，在器件噪聲的影響下會大幅降低自旋量子比特的弛豫時間和退相干時間，從而限制自旋量子比特的操控保真度。已有的研究發現，在特定磁場大小下，自旋-谷混合效應會迅速降低自旋量子比特弛豫時間到1毫秒以下甚至到1微秒，形成自旋比特弛豫速率的“熱點”。在比特數目增加後，這一現象會使比特陣列中出現“壞點”的幾率大大增加，阻礙了硅基自旋量子比特的進一步擴展。

為了抑制自旋-谷混合的不利影響，傳統的方法是增加硅量子點中的谷能級劈裂的大小，使得自旋量子比特操控點遠離自旋-谷混合的位置。然而，由於谷能級劈裂大小受到硅襯底表面粗糙度影響（尤其是硅鍺異質結），其大小並不容易控制。另一種更為直接有效的方法是調節自旋-谷混合的強度，來抑制其不利影響。之前有文獻報道，在砷化鎵半導體量子點中，可以調節磁場方向以改變自旋-軌道耦合的大小，並延長自旋弛豫時間。但是對於磁場強度和方向是否能用來調節硅量子點中自旋-谷混合的強度尚無相關報道。

李海歐、郭國平等人通過製備高質量的Si MOS量子點，實現了自旋量子比特的單發讀出，並以此測量技術為基礎研究了外加磁場強度和方向對自旋量子比特弛豫速率的影響。研究人員發現，當施加的面內磁場到達某一特定角度時，“熱點”附近的自旋弛豫速率可以被迅速“冷卻”，降低100倍以上，同時自旋弛豫時間從不到1毫秒增加到100毫秒以上。這一變化説明自旋-谷混合的大小被有效抑制，為研究自旋-谷混合以及如何消除自旋-谷混合對自旋量子比特帶來的不利影響提供了研究基礎。研究人員同時發現，“熱點”附近自旋弛豫時間的各向異性在增加電場強度後，仍可以保持100倍的強度，説明這一特性受電場的影響較弱，可以應用到包含大量不同大小的局域電場的量子比特陣列中，為優化硅基自旋量子比特的讀出、操控以及多比特擴展提供了新的方向。

圖 1**.**硅基半導體自旋量子比特芯片裝置示意圖和自旋弛豫速率的強各向異性。

該工作得到了審稿人的高度評價：“這個工作對於闡明物理機制和解決尋找操控硅量子點中自旋自由度的最優工作點這種實際問題做出了重要貢獻(This  work makes an important contribution to unravelling the underlying  phenomena and solving the practical problem of finding the optimum  operating conditions to exploit the spin degrees of freedom in silicon  quantum dots)”; “該工作是系統研究自旋弛豫各向異性的代表性工作之一，並提供了新的研究自旋谷能級混合的方法(The  study presented in this manuscript represents one of the few extensive  studies realized for spin relaxation anisotropy in QDs and provides  potential new ways to probe also the anisotropy properties of  inter-valley and intra-valley spin mixing mechanisms.)”; “這個工作使得對自旋、谷和軌道等自由度的相互作用的物理理解被提高到了一個新的高度(The  physical understanding of the interplay of spin, valley and orbital  degrees of freedom is taken to a next level with this work.)”。

郭國平教授研究組長期致力於半導體量子芯片的研發，於2014年開始開展基於自旋量子比特的硅基半導體量子計算研究。該研究組的目標是基於硅基自旋量子比特構建可擴展的高保真度的單比特和兩比特邏輯門單元庫，從材料結構設計、器件製備到量子比特操控和多比特擴展，研發可擴展的固態量子計算架構，進一步利用硅基產線工藝開展規模化量子芯片的研製。

中科院量子信息重點實驗室郭國平教授、李海歐特任研究員為論文共同通訊作者，博士生張鑫、胡睿梓為論文共同第一作者，中科院微電子所集成電路先導工藝研發中心王桂磊副研究員提供硅基材料和8英寸工藝支持。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術大學的資助。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.257701

美國物理學會在線新聞網站“物理(physics.aps.org)”報道鏈接：

https://physics.aps.org/articles/v13/s83