半导体纳米线纳米片量子器件研究

Solid state based quantum communication and quantum computation technology is one of the most important scientific research and technology development fields of today in the world, as well as one of the most important national key projects of China as announced in the China 13th five-year national development plan. In this project, we plan to develop semiconductor nanostructure-based multiple quantum dot devices and topological quantum devices for applications in quantum computation. The project will employ high crystalline quality III-V semiconductor nanowires and nanoplates obtained through epitaxy growth for devcie materials, advanced nanofabrication techniques for device fabrication, and advanced low-temperature electron transport and magnetotransport measurements for device characterization and device demonstration. It is expected that the project will lead to realization of a set of semiconductor based quantum dot qubits and topological qubits and will make important contributions to the development of solid-state based quantum computation science and technology of China.

固态量子器件和量子计算芯片的研究是当代国际最前沿科学技术研究领域之一，也是我国十三五重大研究计划项目中最重要的研究方向之一。在本项目中，我们将采用优质半导体纳米线、纳米片等固态半导体材料，通过先进微纳加工技术研究制作可拓展集成的多量子点器件和拓扑量子器件，通过低温精密电学和磁致电子输运测量研究所制作器件中的前沿物理问题，研究建立自旋量子比特和拓扑量子比特的工艺技术和操控方案，为我国固态量子计算科学技术的发展进步做出贡献。

固态量子器件和量子计算芯片的研究是当代国际最前沿科学技术研究领域之一，也是我国当今科技战略布局中最重要的研究方向之一。在本项目中，我们计划采用优质半导体纳米线、纳米片等固态半导体材料，通过先进微纳加工技术研究制作可拓展集成的多量子点器件和拓扑量子器件，通过低温精密电学和磁致电子输运测量研究所制作器件中的前沿物理问题，研究建立自旋量子比特和拓扑量子比特的工艺技术和操控方案，为我国固态量子计算科学技术的发展进步做出贡献。..本项目的主要研究内容是研究制作基于优质半导体纳米线、纳米片的可拓展集成的多量子点器件和拓扑量子器件，并通过低温精密电学和磁致电子输运测量研究所制作器件中的前沿物理问题。本项目的具体目标有两个：一是构建出集成了精密单电子电荷探测器的半导体多量子点器件；二是构建多种半导体-超导体复合量子器件。我们期望通过这些工作，掌握这两当代最前沿半导体量子器件的制作工艺技术和操控方案，为我国固态量子计算的科学技术发展进步做出贡献。经四年努力，我们的这些目标已基本达到。例如，我们在前期工作的基础上，进一步研制成功了集成有单电子电荷探测器的半导题纳米线三和四量子点器件，并对所研制的器件进行了低温电学测量，确定了系统中多量子点多电荷稳态的构型等基本物理现象。我们还成功研制了半导体InAs或InSb纳米线和纳米片的约瑟夫森结量子器件，观察到了超流和多重安德列夫反射态等超导物理现象，并采用我们新搭建的低温高频测量设备，研究了器件中的微波辐照所产生的Shapiro steps等高频响应物理现象。总之，我们基本完成了项目的预定目标，为我们进一步推进半导体自旋与拓扑量子计算器件研究奠定了基础。..该项目的实施使我们在国内外重要学术期刊上发表了标有该项目基金号的学术论文39篇，其中含Science Advances 2篇、Phys. Rev. Lett. 2篇、Phys. Rev. B/Phys. Rev. Research 5篇、Nano Lett. 3篇、npj 2D Mater. Appl. 1篇、Nanoscale 6篇、Appl. Phys. Lett. 5篇。