中國科學技術大學郭光燦院士團隊郭國平教授、李海歐教授等人與中科院物理所張建軍研究員、紐約州立大學布法羅分校胡學東教授以及本源量子計算有限公司合作，在硅基鍺空穴量子點中實現(xiàn)了自旋軌道耦合強度的高效調(diào)控，為該體系實現(xiàn)自旋軌道開關以及提升自旋量子比特的品質(zhì)提供了重要的指導意義。研究成果日前在線發(fā)表于《應用物理評論》。
硅基自旋量子比特是未來實現(xiàn)量子計算機的有力競爭者，其具有較長的量子退相干時間、高操控保真度等獨特優(yōu)勢，并且還可以與現(xiàn)代半導體工藝技術相兼容。
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足夠快的操控速率。而傳統(tǒng)的比特操控方式——電子自旋共振，由于受到加熱效應的限制，其翻轉(zhuǎn)速率較慢。
當體系中存在較強的自旋軌道耦合時，理論和實驗研究都表明可以利用電偶極自旋共振實現(xiàn)自旋比特的翻轉(zhuǎn)，其翻轉(zhuǎn)速率與自旋軌道耦合強度成正比，可以大大提高比特操控速率。因此對體系內(nèi)自旋軌道耦合效應進行研究，可以為實現(xiàn)自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基礎。
為進一步研究硅基鍺納米線空穴體系中自旋軌道耦合機制并實現(xiàn)高度的可調(diào)性，在前期工作的基礎上，課題組系統(tǒng)地測量了自旋阻塞區(qū)間漏電流隨外磁場大小和量子點能級失諧量的變化關系，通過理論建模和數(shù)值分析，得到了體系內(nèi)的自旋軌道強度。通過調(diào)節(jié)柵極電壓并改變雙量子點間的耦合強度，實現(xiàn)了體系中自旋軌道耦合強度的大范圍調(diào)控。
同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，在近期實現(xiàn)的新型圖形化可控生長的一維鍺納米線體系中，由于其具有因界面不對稱引起的德雷塞爾豪斯（Dresselhaus）自旋軌道耦合以及可以高效調(diào)節(jié)的直接拉什巴（Rashba）自旋軌道耦合，可以通過調(diào)節(jié)體系內(nèi)的自旋耦合強度并改變納米線的生長方向，既可以在動量空間找到一個自旋軌道耦合完全關閉的位置，也可以利用自旋軌道開關找到在實現(xiàn)比特超快操控速率的同時，使得比特保持較長的量子退相干時間的最佳操控點。
審稿人認為，研究人員發(fā)現(xiàn)了自旋軌道耦合強度與隧穿耦合的強依賴關系，為實現(xiàn)自旋軌道耦合開關和超快比特操控與慢的退相干時間兼容的理想比特狀態(tài)提供了物理基礎，實驗結(jié)果新穎并且非常有價值。
