基于强自旋轨道耦合纳米线自旋量子比特的Surface code量子计算实验研究

With the rapid development of experimental techniques of quantum computation and the discoveries of more and more new quantum systems with longer decoherence time, the focus of experimental research of quantum computers has switched from building a single quantum bit (qubit) to constructing a functional circuit which can perform specific quantum logic operations. A practical large scale quantum computer needs to integrate thousands of qubits to perform quantum error correction (QEC). By the theory of surface code, the most powerful fault-tolerant QEC scheme known, the qubits spread over a two-dimensional lattice, with nearest-neighbor qubit-qubit interaction. The implementation of scalable fault-tolerant quantum computer with surface code is one of the hottest topics in experimental research of quantum computing. In this project, we plan to use floating gate to build the capacitive coupling between the nearby spin quits, which are purely electrically defined on germanium-silicon core-shell nanowires or bismuth selenide topological insulator nanowires. The strong spin-orbit interaction (SOI) of those nanowires greatly improve the efficiency of the floating-gate architecture over that in GaAs 2DEG.

随着实验技术的发展和长退相干时间新量子体系的发现，量子计算实验研究的重心从构建足够长退相干时间量子比特的器件级进入到使用多量子比特实现特定逻辑运算的电路级。真正实用的大规模量子计算机需要集成大量的量子比特以满足量子纠错算法冗余编码的需要。Surface code是目前最强大的量子纠错计算算法，量子比特分布在二维的格子上，只需要与最近相邻的量子比特发生作用。本项目拟在锗芯硅壳纳米线和硒化铋拓扑绝缘体纳米线这些强自旋轨道耦合一维材料上定义和调控自旋量子比特，利用量子比特间浮动门极（floating gate），在实验上实现相邻量子比特的电容耦合。通过建立使用floating gate耦合的二维自旋量子比特矩阵，实现用纯电学手段调控的surface code容错量子计算。本项目的研究方向是当前量子计算机技术热门课题，对量子计算的规模化和实用化有重要的意义。

随着实验技术的发展和新材料的应用，量子计算实验研究的重心从构建足够长退相干时间量子比特的器件级进入到使用多量子比特实现特定逻辑运算的电路级。真正实用的大规模量子计算机需要集成大量的量子比特以满足量子纠错算法冗余编码的需要。本项目探索了利用强自旋轨道耦合半导体纳米线构建自旋量子比特乃至二维Surface code的实验技术。虽然没有从实验上实现surface code，但研究过程中发展了一些技术，包括高质量掺杂拓扑绝缘体纳米线的合成和表征、极低温极低噪声HEMT放大器的研发、超低功耗锗硅放大器的研发和与介观器件基础的混合电路。通过对掺杂拓扑绝缘体纳米线进行低频1/f噪声测量，在靠近狄拉克点的位置，测量的噪声明显低于Hooge经验模型，与拓扑绝缘体不受背散射影响的因而具有较低噪声的预期一致，从噪声的实际水平看，与石墨烯和硅纳米线器件处于同一水平，从而为这种材料的未来可能应用提供了借鉴。而我们自行研制的极低温极低噪声放大器无论从噪声指标还是功耗都优于国外同类产品，填补了我国这一领域的空白。我们研发的超低功耗硅锗晶体极低温放大器可以直接工作在mK温区，直接与高阻介观器件组成混合Hybrid电路，在利用介观器件超高灵敏度优势的同时把介观器件的带负载能力提升到宏观电子器件的水平，使其能够驱动后续测量线路，提高测量速度和测量信噪比。这些实验技术未来都可用于量子计算乃至其它领域。