石墨烯可扩展门型量子点中自旋量子比特的实现与操控研究

为了在固态体系中实现量子计算，同时考虑到与现有纳米加工技术的继承和兼容，半导体可扩展门型量子点被认为是未来实现量子计算机最重要的物理载体之一，而如何有效控制比特的量子相干特性一直是该领域最受瞩目的关键科学问题。新型材料石墨烯具有克服消相干影响的独特优势，其中的电子有效质量小，自旋轨道效应微弱，没有核自旋的影响，这些因素有效的延长了电子自旋的相干时间。本项目将围绕基于石墨烯可扩展门型量子点量子计算问题，利用我们已有的纳米加工平台和极低温量子输运测量技术，在石墨烯上制备出性能良好的可扩展门型量子点，并对量子点的电荷状态和电子自旋状态进行测量和控制，研究石墨烯中电子自旋的消相干特性，实现石墨烯量子点自旋量子比特的制备、操控和测量，推动固态量子信息的硬件研究。

按照计划书中预定的研究内容，在石墨烯这一新型材料的量子元器件研究方面取得了多项重要进展，圆满地完成了项目计划书中预定的研究目标，1）探索开发了石墨烯量子元器件的设计方案和制造流程，形成了一套成品率较高、而且具有自己独特优势的制备技术和加工工艺，成功制造出石墨烯单量子点、双量子点、量子点+超导电极作为纠缠源、单电子测量器、量子点+超导谐振腔作为量子数据总线等一系列元器件；2）利用全电学手段对石墨烯量子元器件进行量子调控的系统研究，掌握了精细调节门电极控制量子器件上单电子状态、电子状态之间的耦合和纠缠、电子状态的高灵敏度读取的规律和方法；3）在自主设计制备的石墨烯量子点与超导谐振腔复合结构中，首次测定了石墨烯双量子点激发态的量子相位相干时间T2，开发了金属电极直接束缚和调节石墨烯量子点的新结构和新工艺；为石墨烯量子信息处理器和其他石墨烯纳米电子学元器件的研究奠定了鉴定的基础。