非掺杂砷化镓量子点自旋量子比特的制备和电荷噪声研究

Gate-defined quantum dots based on GaAs/AlGaAs heterojunction have been the most cutting-edge research field of solid-state quantum information, and made a series of significant research in the experimental study of the spin qubits preparation,measurement and manipulation. However, the the traditional GaAs quantum dots are formed based on the two-dimensional electron gas in a doped GaAs/GaAlAs heterojunction. Doping will inevitably weaken the stability of the electron charge and spin, and increasing the impact of the doped electron charge noise and shorten the coherence time for spin qubits. Based on solving the above problems as the core research objectives,the project will produce the new two-tier structure of quantum dot devices using the undoped GaAs/AlGaAs heterojunction, and focus on the electron charge and spin state measurements and control.We will systematically study how to reduce noise and study the electron spin qubits decoherence characteristics,qubit preparation, measurements and manipulation. Novel quantum dot devices will not only inherit the advantages of traditional quantum dot devices, but also is a very good enhanced mode quantum dots system which has the high mobility and the strong stability. These basis will advance the solid-state quantum information research and open a new path of development for solid-state quantum computer application of the process in our country.

半导体砷化镓门型量子点一直是固态量子信息最前沿的研究领域，在电子自旋量子比特的制备、测量和操控等方面取得了一系列重大研究成果。然而，传统的砷化镓量子点是基于掺杂的砷化镓铝异质结中的二维电子气上形成的。由于掺杂不可避免的削弱电子电荷和自旋的稳定性，从而增加了量子比特受到掺杂电子电荷噪声的影响，缩短了量子比特的弛豫时间，加快了量子比特的的退相干过程。基于解决上述问题为核心研究目标，本项目将采用非掺杂砷化镓异质结进行新型双层结构量子点器件的加工，并对量子点中电子电荷和自旋状态进行测量和控制以及非掺杂所减小的电荷噪声影响，研究非掺杂影响自旋量子比特弛豫时间的机理，探究非掺杂对电子自旋量子比特退相干过程的影响，实现单电子自旋量子比特的制备、测量和操控。新型量子点器件是继承传统量子点器件可集成性等优势的同时，又具有高迁移率、强稳定性的增强型量子点研究体系，为推动固态量子计算机的应用化进程开辟新的道路。

半导体砷化镓门型量子点一直是固态量子信息最前沿的研究领域，在电子电荷和自旋量子比特的制备、测量和操控等方面取得了一系列重大研究成果。然而，传统的砷化镓量子点是基于掺杂的砷化镓铝异质结中的二维电子气上形成的。由于掺杂不可避免的削弱电子电荷和自旋的稳定性，从而增加了量子比特受到掺杂电子电荷噪声的影响，缩短了量子比特的弛豫时间，加快了量子比特的的退相干过程。本项目的研究目标是获得新型非掺杂砷化镓异质结上的量子点器件，探索掺杂杂质电荷对量子比特测量和操控的影响，实现基于非掺杂砷化镓量子点器件中量子比特的制备、测量、读取和操控，为提高基于半导体门型量子点器件中量子比特实现的稳定性做出重要贡献，同时在量子比特扩展和逻辑门操控上取得一定的突破。项目项目执行期内主要取得以下几个关键研究成果： . (1) 制备出高迁移率的单电子晶体管，进而制备出高电子迁移率、强稳定性的非掺杂砷化镓门型量子点器件（带量子点接触），掌握复杂的微纳米加工工艺技术。实现非掺杂砷化镓量子点器件中单电子电荷和自旋态的制备、测量和操控，并掌握相关的单电子电荷探测器测量的实验原理和实验技术。. (2) 实现非掺杂砷化镓量子点器件中单电子自旋量子比特的制备、测量和读取。实现非掺杂砷化镓量子点器件中电子弛豫时间T1和量子比特的消相干时间T2*的测量。. (3) 与传统量子点中的参数进行比较研究，获得掺杂杂质电荷对量子点中电子电荷和自旋状态以及量子比特的影响，掌握减小量子比特电荷噪声的纳米加工技术技术原理和实验方法。. (4) 完成砷化镓四量子点样品的制备和两量子比特结构的设计，并成功实现两个电荷量子比特的强耦合和两比特的逻辑门操控（CNOT），比传统电子自旋量子比特的操控速度快2个量级以上。. (5) 利用三量子点结构构造新型杂化单量子比特，同时实现新型编码的杂化单量子比特的制备与逻辑门操控，将量子比特的退相干时间延长一个量级，实现了操控速度和量子相干时间兼得的新型编码量子比特体系。