中国科大实现硅基自旋量子比特寿命的高效调控 2020-06-26

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我校郭光灿院士团队在延长硅基自旋量子比特寿命（弛豫时间）研究中取得重要进展。该团队固态量子计算研究组郭国平教授、李海欧研究员等人与中科院微电子所集成电路先导工艺研发中心王桂磊副研究员、美国加州大学洛杉矶分校姜弘文教授和美国纽约州立大学布法罗分校胡学东教授，以及本源量子计算公司合作，在国际上首次发现了硅基自旋量子比特弛豫的强各向异性：通过改变外加磁场与硅片晶向的相对方向，可以将自旋量子比特寿命提高两个数量级以上。该研究成果发表在6月23日出版的国际物理学知名期刊《Physical Review Letters》上。文章入选编辑推荐（Editors' Suggestion），并被美国物理学会旗下在线网站“物理(physics.aps.org)”以“Cooling a Spin Relaxation Hot-Spot (冷却自旋弛豫的热点)”为题，进行了精选报道（Featured in Physics）。

硅基自旋量子比特以其超长的量子退相干时间，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。近几年，基于硅平面晶体管（Si MOS）和硅锗异质结构造的自旋量子比特的弛豫时间已经超过百毫秒，量子退相干时间也已超过百微秒，其单比特控制保真度可以达到99.9%，两比特控制保真度可以达到98%，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等国际巨头企业均已利用自身在半导体工业的优势积累，开始参与硅基半导体量子计算研究。然而，硅基量子点中天然存在谷能级，在某些情况下自旋和谷能级会发生相互混合(自旋-谷混合)，在器件噪声的影响下会大幅降低自旋量子比特的弛豫时间和退相干时间，从而限制自旋量子比特的操控保真度。已有的研究发现，在特定磁场大小下，自旋-谷混合效应会迅速降低自旋量子比特弛豫时间到1毫秒以下甚至到1微秒，形成自旋比特弛豫速率的“热点”。在比特数目增加后，这一现象会使比特阵列中出现“坏点”的几率大大增加，阻碍了硅基自旋量子比特的进一步扩展。

为了抑制自旋-谷混合的不利影响，传统的方法是增加硅量子点中的谷能级劈裂的大小，使得自旋量子比特操控点远离自旋-谷混合的位置。然而，由于谷能级劈裂大小受到硅衬底表面粗糙度影响（尤其是硅锗异质结），其大小并不容易控制。另一种更为直接有效的方法是调节自旋-谷混合的强度，来抑制其不利影响。之前有文献报道，在砷化镓半导体量子点中，可以调节磁场方向以改变自旋-轨道耦合的大小，并延长自旋弛豫时间。但是对于磁场强度和方向是否能用来调节硅量子点中自旋-谷混合的强度尚无相关报道。

李海欧、郭国平等人通过制备高质量的Si MOS量子点，实现了自旋量子比特的单发读出，并以此测量技术为基础研究了外加磁场强度和方向对自旋量子比特弛豫速率的影响。研究人员发现，当施加的面内磁场到达某一特定角度时，“热点”附近的自旋弛豫速率可以被迅速“冷却”，降低100倍以上，同时自旋弛豫时间从不到1毫秒增加到100毫秒以上。这一变化说明自旋-谷混合的大小被有效抑制，为研究自旋-谷混合以及如何消除自旋-谷混合对自旋量子比特带来的不利影响提供了研究基础。研究人员同时发现，“热点”附近自旋弛豫时间的各向异性在增加电场强度后，仍可以保持100倍的强度，说明这一特性受电场的影响较弱，可以应用到包含大量不同大小的局域电场的量子比特阵列中，为优化硅基自旋量子比特的读出、操控以及多比特扩展提供了新的方向。

图 1.硅基半导体自旋量子比特芯片装置示意图和自旋弛豫速率的强各向异性。

该工作得到了审稿人的高度评价：“这个工作对于阐明物理机制和解决寻找操控硅量子点中自旋自由度的最优工作点这种实际问题做出了重要贡献(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)”; “该工作是系统研究自旋弛豫各向异性的代表性工作之一，并提供了新的研究自旋谷能级混合的方法(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.)”; “这个工作使得对自旋、谷和轨道等自由度的相互作用的物理理解被提高到了一个新的高度(The physical understanding of the interplay of spin, valley and orbital degrees of freedom is taken to a next level with this work.)”。

郭国平教授研究组长期致力于半导体量子芯片的研发，于2014年开始开展基于自旋量子比特的硅基半导体量子计算研究。该研究组的目标是基于硅基自旋量子比特构建可扩展的高保真度的单比特和两比特逻辑门单元库，从材料结构设计、器件制备到量子比特操控和多比特扩展，研发可扩展的固态量子计算架构，进一步利用硅基产线工艺开展规模化量子芯片的研制。

中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧特任研究员为论文共同通讯作者，博士生张鑫、胡睿梓为论文共同第一作者，中科院微电子所集成电路先导工艺研发中心王桂磊副研究员提供硅基材料和8英寸工艺支持。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.257701

美国物理学会在线新闻网站“物理(physics.aps.org)”报道链接：

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

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）

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