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我校郭光燦院士團隊在硅基自旋量子比特操控研究中取得重要進展。該團隊郭國平、李海歐研究組與合作者以及本源量子計算公司合作，對集成微磁體的硅基量子點進行研究，發(fā)現(xiàn)了自旋量子比特操控的各向異性：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的操控速率、退相干速率和可尋址性進行同時優(yōu)化。該研究成果發(fā)表在4月27日出版的國際應用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

硅基自旋量子比特以其超長的量子退相干時間，以及與現(xiàn)代半導體工藝技術(shù)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，基于硅平面晶體管（Si MOS）、硅/硅鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的自旋量子比特的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99%，最多的比特操控數(shù)目可以達到6個，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等國際巨頭企業(yè)均已利用自身在半導體工業(yè)的優(yōu)勢積累，開始參與硅基半導體量子計算研究。然而，通過嵌入微磁體進行量子比特操控的硅基量子點會大幅增加電荷噪聲對量子比特操控的影響，降低量子比特陣列的平均操控保真度，阻礙硅基量子比特陣列的進一步擴展。

為了抑制微磁體可能對比特操控的不利影響，傳統(tǒng)的方法是優(yōu)化微磁體形狀的設(shè)計，增強橫向磁場梯度的同時抑制縱向磁場梯度。然而，當量子比特陣列擴展起來之后，微磁體形狀的優(yōu)化設(shè)計受到阻礙。另一種更為有效的方法是原位調(diào)節(jié)磁場方向，例如已報道的在不含有微磁體的硅半導體量子點中，通過調(diào)節(jié)磁場方向可以有效改變本征自旋-軌道耦合的大小，改變比特操控頻率、調(diào)節(jié)量子比特退相干時間，進而優(yōu)化量子比特操控。然而，對于嵌入微磁體的硅量子點，通過調(diào)節(jié)微磁體性質(zhì)進行量子比特操控優(yōu)化的工作尚無相關(guān)報道。

李海歐、郭國平等人通過制備高質(zhì)量的集成微磁體的Si MOS量子點，實現(xiàn)了自旋量子比特的泡利自旋阻塞讀出，并以此測量技術(shù)為基礎(chǔ)研究了外加磁場方向?qū)ψ孕孔颖忍夭倏氐挠绊?。研究人員發(fā)現(xiàn)，當施加的面內(nèi)磁場到達某一特定角度時，操控速率可以保持較高的水平而電荷噪聲引起的退相干被大大抑制，而量子比特的尋址特性又被維持在一個較高的水平。這一特點說明通過旋轉(zhuǎn)磁場方向，硅基自旋量子比特的操控速率、退相干時間和可尋址性得到同時優(yōu)化。研究人員同時發(fā)現(xiàn)，在旋轉(zhuǎn)磁場的過程中，面內(nèi)橫向磁場梯度起到了不可忽視的作用，這也暗示了旋轉(zhuǎn)磁場方向?qū)ρ芯亢形⒋朋w的自旋軌道耦合——合成自旋軌道耦合的豐富物理內(nèi)涵具有重要意義。

該工作得到了審稿人的高度評價：“能夠理解并且預測微磁體器件的最優(yōu)工作點是非常有用的，這些結(jié)果對這個領(lǐng)域來說是非常有價值的貢獻(Being able to understand and predict good operating points of micromagnet devices is useful and these results are a valuable contribution to the field)”。該工作同時也得到了同行的高度關(guān)注，專注硅基自旋量子比特的理論物理學家Yujun Choi和Robert Joynt在近期的文章（arXiv:2103.05865）中表示該項成果展示了通過改變磁場方向優(yōu)化量子比特操控的實驗方面的努力（Indeed, experiments to optimize qubit operation by so changing the direction of the field using a vector magnet have been carried out）。

圖1. 利用磁場的各向異性優(yōu)化硅基半導體自旋量子比特操控示意圖。

郭國平教授研究組長期致力于半導體量子芯片的研發(fā)，于2014年開始開展基于自旋量子比特的硅基半導體量子計算研究，2020年在[Phys. Rev. Lett. 124, 257701 (2020)]上發(fā)表文章，在實驗中發(fā)現(xiàn)了硅基自旋量子比特壽命的強各向異性，將量子比特弛豫時間提高2個數(shù)量級。在之前研究的基礎(chǔ)上，此次關(guān)于量子比特操控的進展進一步提升了量子比特操控的優(yōu)化空間，為實現(xiàn)高保真度的多量子比特擴展的硅基量子計算研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

中科院量子信息重點實驗室郭國平教授、李海歐研究員為論文共同通訊作者，博士生張鑫、周圓為論文共同第一作者。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(shù)大學的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.044042

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）