硅纳米线结构量子点量子比特的机理与实验研究

The all-electrical operational quantum bits are constructed based on silicon nanowire structure, which will provide the theoretical basis and technical support for the realization of monolithic integrated quantum computer. In our project, the electrical manipulations and measurements of the silicon qubits in quantum dots defined by the gated barriers on silicon nanowires will be investigated theoretically and experimentally. Firstly, we analyze the properties of the electrical structure and the quantum state coupling in silicon quantum dots, and understand the principles of storing, exchanging and decoherence of quantum information in the silicon qubits. Next, we search the fast logic operation principles of silicon qubits using the pulsed gates, and explore the high-fidelity testing techniques of quantum states in silicon qubits using electric fields. And we design the silicon qubits in quantum dots constructed by the gated barriers and the single electron resolution electrometer based on single electron transistor. Finally, we will prepare some testing samples of silicon qubits using the micro fabrication technology and obtain the control conditions of process parameters.

以硅纳米线结构构筑完全电学操控与测量的量子比特器件，为未来单片集成的量子芯片的研发提供理论基础和技术支持。 本项目基于硅纳米线结构构造硅基耦合量子点体系，开展硅量子比特完全电学操控和测量的理论和实验研究。(1) 通过对硅纳米线结构栅控量子点的电子结构和耦合过程特征的分析，理解影响硅量子比特中信息保存、变换和退相干过程的机制；(2) 研究采用振荡电场对量子态进行快速逻辑操作的方法，以及在电学环境下高保真测量量子态的方法；(3) 探索硅纳米线结构耦合量子点体系量子比特器件和测量用电荷敏感电流计的设计方法；(4) 利用微纳加工工艺技术制备量子比特测试结构，摸索优化的工艺参数及制备条件的控制问题。

量子信息技术是未来信息产业发展和信息安全的重要支撑。量子点结构量子比特是量子计算领域的研究热点。本项目基于纳米线结构构筑硅基耦合量子点体系，开展硅量子比特完全电学操控与测量的理论和实验研究。在国家自然科学基金面上项目（No. 61474041）的资助下，我们课题组在硅基量子比特器件的构筑方面作了大量的工作，在理论模型、数值模拟、结构设计和实验测量方面取得了一些进展，在国际和国内学术期刊上发表论文13篇。. 我们提出了非对称耦合双量子点量子比特的改进模型，提出了量子点量子比特系统的操控方法和测量方法，深入研究了双量子点体系的隧穿耦合特征和退相干机理，在等效电路模型的基础上分析了其电容耦合特征。同时，我们在以硅纳米线结构为基础构筑单电子传输系统，并以此来构建量子点量子比特单元。设计了单个小栅极、两个小栅极以及单电子传输非破坏性测试结构，实验测量了硅纳米线晶体管的电学特性，特别是阈值特性与单电子传输特性。我们提出了基于顺序隧穿理论计算量子点量子态变换特征时间的方法和基于等效电容网络抽取量子点耦合电容的方法，并给出了数值计算结果或实验测试结果。. 进一步的研究准备关注以下方面: 量子点俘获或发射电子的动力学过程，各种相干机制包括电声子作用、电磁干扰及库仑势散射等，量子点量子比特原型器件的制备工艺。这些都是我们以后研究的主攻方向。