中国科大实现耦合高度可调的二维硅基量子点阵列

近日，中国科大郭光灿院士团队在硅基量子点阵列的二维扩展及其耦合可调性研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、王保传特任副研究员等人与本源量子计算有限公司合作，成功研制出一种具有高度耦合可调的二维硅基量子点阵列，首次在硅量子点阵列中实现了对最近邻以及次近邻耦合的独立大范围调控。这一研究成果对推动硅基半导体量子计算研究具有重要意义。相关研究成果以“Highly Tunable 2D Silicon Quantum Dot Array with Coupling beyond Nearest Neighbors”为题，于10月14日在线发表在国际期刊Nano Letters上。

硅基半导体量子点以其较小的特征尺寸和与现代半导体制造工艺的兼容性，具备大规模扩展量子比特数量的潜力，成为实现实用化量子计算和量子模拟的重要候选方案之一。近两年来，硅基自旋量子比特在向容错量子计算发展的过程中取得了重大进展，包括实现超过容错阈值的单比特和双比特量子门，以及基于线性阵列的多比特通用量子门操控。为了进一步推动硅基半导体量子计算的发展，实现量子比特的二维耦合扩展显得尤为重要。然而，由于小尺寸带来的制造挑战以及实验室平面工艺的局限性等因素，硅基量子点阵列的二维扩展研究进展缓慢，国际上相关报道相对较少。此外，现有研究主要关注最近邻耦合的可调性，缺少对次近邻耦合的调控研究，而这一调控在量子计算和模拟中具有重要的意义。

基于以上背景，我校郭国平教授研究组设计并制备了一个包含中心势垒栅极的2×2硅基量子点阵列器件。研究人员在极低温下对该器件的性能进行了系统表征，研究结果表明，该器件每个量子点中的电子可以实现独立填充，并调节至单电子占据状态。此外，最近邻耦合能够在较大范围内独立调控，而次近邻耦合则可以通过中心势垒栅极实现非对称调控。基于这种高度的可调性，研究人员可以根据需求选择性地关闭和打开特定的耦合，从而将量子点阵列配置为不同的耦合结构并开展具体应用研究。这一工作为硅量子点阵列作为量子计算与量子模拟的多功能平台提供了全新可能性。

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图（左）硅基量子点二维阵列器件核心区的电子显微镜伪色图；（右）任意调控量子点间最近邻和次近邻耦合，从而构造出不同的耦合结构。

中国科学院量子信息重点实验室博士研究生王宁为论文第一作者，特任副研究员王保传为论文通讯作者。该工作得到了科技创新2030重大项目、国家自然科学基金委、中国科学院以及安徽省的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02345