中国科大实现硅基量子芯片中自旋轨道耦合强度的高效调控

中国科学技术大学郭光灿院士团队在硅基半导体量子芯片研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧教授等人与中科院物理所张建军研究员、纽约州立大学布法罗分校胡学东教授以及本源量子计算有限公司合作，在硅基锗空穴量子点中实现了自旋轨道耦合强度的高效调控，为该体系实现自旋轨道开关以及提升自旋量子比特的品质提供了重要的指导意义。研究成果以“Gate-Tunable Spin-Orbit Coupling in a Germanium Hole Double Quantum Dot”为题，于4月27日在线发表在国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

硅基自旋量子比特因为其较长的量子退相干时间以及高操控保真度而受到广泛关注，是未来实现量子计算机的有力竞争者。除此之外它与现代半导体工艺相兼容的特点使其大规模扩展成为可能。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足够快的操控速率。传统的比特操控方式——电子自旋共振由于受到加热效应的限制，其翻转速率较慢。当体系中存在较强的自旋轨道耦合时，理论和实验研究都表明可以利用电偶极自旋共振实现自旋比特的翻转，其翻转速率与自旋轨道耦合强度成正比，可以大大提高比特操控速率。因此对体系内自旋轨道耦合效应进行研究，可以为实现自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基础。

李海欧、郭国平等人针对一维锗纳米线具有较强的自旋轨道耦合相互作用的特点，近年来开展了一系列系统性的实验研究。通过测量双量子点中自旋阻塞区间漏电流的各向异性，首次在硅基锗纳米线的空穴量子点中实现了朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控 [Nano Letters 21, 3835-3842 (2021)]。在此基础上，2022年课题组利用电偶极自旋共振实现了国际上最快速率的自旋量子比特操控，翻转速率可达540MHz[Nature Communications 13, 206 (2022)]。

为了进一步研究硅基锗纳米线空穴体系中自旋轨道耦合机制并实现高度的可调性，课题组系统地测量了自旋阻塞区间漏电流随外磁场大小和量子点能级失谐量的变化关系，通过理论建模和数值分析，得到了体系内的自旋轨道强度。通过调节栅极电压并改变双量子点间的耦合强度，实现了体系中自旋轨道耦合强度的大范围调控。同时研究人员指出，在近期实现的新型图形化可控生长的一维锗纳米线体系中，由于其具有因界面不对称引起的Dresselhaus自旋轨道耦合以及可以高效调节的直接Rashba自旋轨道耦合，我们可以通过调节体系内的自旋耦合强度并改变纳米线的生长方向，既可以在动量空间找到一个自旋轨道耦合完全关闭的位置，也可以利用自旋轨道开关找到在实现比特超快操控速率的同时，使得比特保持较长的量子退相干时间的最佳操控点（sweet spot）。这一发现为实现比特高保真度操控以及提升自旋量子比特的品质提供了重要的研究基础。

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图1. (a)自旋轨道耦合长度（自旋轨道耦合强度的一种表示）随栅极电压VC的变化关系，(b)在动量空间中，不同机制引起的自旋轨道场用不同颜色的箭头表示：蓝色，直接Rashba自旋轨道场（BR），绿色，Dresselhaus自旋轨道场（BD），红色，总自旋轨道场（Btotal）。当BR和BD的幅值相等且方向相反时，红色星星处的总自旋轨道耦合场为零，自旋轨道耦合会被关闭。

中科院量子信息重点实验室博士生刘赫、张庭以及博士后王柯为论文共同第一作者，中科院量子信息重点实验室李海欧特任教授和郭国平教授为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省的资助。李海欧特任教授得到了中国科学技术大学仲英青年学者项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.044052

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