基于积累型砷化镓门型量子点的固态量子比特

砷化镓门型量子点一直是固态量子计算的前沿研究领域，取得了量子比特的制备，测量，与相干性操作等一系列成果。但传统的砷化镓门型量子点是基于掺杂的砷化镓异质节中的二维电子气的。掺入的杂质会不可避免地削弱量子点中单个电子的极微小的电荷与自旋的稳定性。高迁移率的砷化镓掺杂浓度高，对稳定性影响更大，这使得现在的耗尽型砷化镓门型量子点不能在高电子迁移率虑的砷化镓材料上制备成功。简言之，器件的高性能与高稳定性不能兼顾。我们计划采用不掺杂的砷化镓材料，应用双层门电极的方法，由顶层门电极产生高迁移率的二维电子气，底层门电极形成量子点，制造出积累型的砷化镓门型量子点，并实现量子比特的操控与测量。这样的固态量子点比特能兼顾高性能与高稳定性，为推动固态量子计算机的实用化开辟新的道路。

为了研究掺杂层对单电子量子相干性的影响，我们在非掺杂和掺杂砷化镓异质结中，制备了纳米级别的门型量子点器件，做了多项对比研究。我们表征了单电子的量子输运特性，研究了单电荷探测器的反作用，以及微波腔的传输性质。在这些准备工作的基础上，我们测定了非掺杂门型量子点中的单电子噪声水平，和单电子的弛豫时间（T1）、消相干时间（T2*）。结果表明，非掺杂的砷化镓异质结中，单电子的噪声水平比传统的掺杂砷化镓异质结要低，消相干时间也更长。这显示消除掺杂层的确对降低单电子的噪声水平有帮助，从而对实现长寿命的单电子量子比特有促进作用。.但另一方面，取消掺杂层后，门型量子点的制备变得更加复杂。一些技术上的难度带来了欧姆接触的不稳定性，和顶层绝缘层与砷化镓表层之间表面态的不稳定性。这使得一方面噪声水平的降低以及消相干时间的增长有限，没有实现数量级的增长；另一方面未能在非掺杂门型量子点中实现Larmar振荡等相干操控。这些问题的解决可能需要在MBE生长上做改进。