基于硅基半导体量子点的空穴自旋量子比特制备与操控研究

Spin qubit based on semiconductor quantum dot is one of the most powerful candidate for quantum computing. The main element of the short decoherence time of traditional semiconductor quantum dot is the hyperfine interaction between the electron spin and nuclear spin, the slower manipulation speed of spin qubit is limited with the weaker electron spin-orbit coupling strength. The silicon-based semiconductor quantum dots have a natural long spin quantum coherence time because of non-nuclear spin, the hole carrier due to the P-shaped orbit has a large spin-orbit coupling strength and thus has a faster manipulation speed of spin qubit. The project will make use of silicon-based semiconductor quantum dot using hole carrier has two advantages of long quantum coherence time and fast manipulation speed. We will produce the quantum dot of the hole carrier using an un-doped silicon-based heterojunction, and focus on the hole charge and spin state measurement and manipulation. We will systematically study the hole spin relaxation and qubit decoherence process, and complete the preparation and measurement and manipulation of the hole spin qubit, try a multi-qubit extension architecture and explore the feasibility of the quantum computation based on the hole spin qubits. These basis will provide a new research platform based on spin qubit of semiconductor quantum dot.

半导体量子点中的自旋量子比特被普遍认为是实现量子计算最有力的候选者之一。传统半导体量子点中较短的量子退相干时间的主要因素是周围环境的核自旋对电子自旋的超精细相互作用，较慢的量子比特操控速度受限于较弱的电子自旋与轨道耦合强度。硅基半导体量子点由于无核自旋而天然拥有较长的量子相干时间,同时空穴载流子由于P形轨道而拥有较大的自旋与轨道耦合强度，从而拥有更快的量子比特操控速度。本项目将利用硅基半导体量子点空穴载流子同时具有长相干和快操控的两大优势，采用非掺杂硅基异质结进行空穴型量子点的加工，对量子点中的空穴电荷和自旋进行测量和操控，研究空穴自旋量子比特弛豫和量子比特退相干过程，实现空穴自旋量子比特的制备、测量和操控，尝试多量子比特扩展的架构设计,探索基于空穴自旋制备量子比特的物理实现。为基于半导体量子点的自旋量子比特研究提供一个新的材料体系研究平台。

半导体量子点中的自旋量子比特被普遍认为是实现量子计算最有力的候选者之一。传统半导体量子点中较短的量子退相干时间的主要因素是周围环境的核自旋对电子自旋的超精细相互作用，较慢的量子比特操控速度受限于较弱的电子自旋与轨道耦合强度。硅基半导体量子点由于无核自旋而天然拥有较长的量子相干时间，同时空穴载流子由于P形轨道而拥有较大的自旋与轨道耦合强度，从而拥有更快的量子比特操控速度。本项目的研究目标是获得新型硅基半导体空穴载流子的量子点器件，研究空穴自旋量子比特弛豫和量子比特退相干过程，实现空穴自旋量子比特的制备、测量和操控，尝试多量子比特扩展的架构构建，探索基于空穴自旋制备量子比特和实现量子计算的可行性方案。围绕上述研究目标取得创新型成果如下：.(1) 实现硅锗空穴载流子单量子点、双量子点以及其与超导微波谐振腔耦合的复合器件结构的设计和制备，进一步实现空穴载流子电荷和自旋态的测量和操控，掌握相关的空穴电荷和自旋探测器测量的实验原理和实验技术。(2) 实现空穴载流子双量子点中g因子的各向异性测量，并进一步利用自旋阻塞效应的漏电流进行自旋轨道耦合场方向的测量以及自旋轨道耦合强度的提取和大范围调控，为自旋量子比特操控提供了物理基础。(3) 实现硅锗空穴自旋量子比特弛豫时间T1的测量，并进一步利用空穴载流子的强自旋轨道耦合效应，实现迄今为止国际上比特翻转是速率最快的自旋单量子比特逻辑门操控，并提取的消相干时间T2*和利用动力学解耦实现退相干时间T2的测量。(4) 利用超导微波谐振腔实现微波光子与空穴载流子的较强耦合以及两量子比特通过超导微波腔的长程耦合，实现了量子比特扩展的架构。(5) 利用自旋与谷能级耦合实现硅MOS自旋量子比特自旋弛豫时间的各项异性调控，并进一步实现自旋量子比特的制备和相干操控。(6) 实现半导体三电荷量子比特的Toffli逻辑门操控，为多量子比特扩展奠定比特结构和操控基础。.项目执行期内发表包括PPL、NSR和NL等重要学术期刊在内的SCI论文21篇，并入选编辑推荐和多次被学术新闻报道。同时申请和授权发明专利12项（其中国际专利1项），研究成果获得2018年度安徽省自然科学一等奖（3/5）。