硅基自旋量子比特因為其較長的量子退相干時間以及高操控保真度而受到廣泛關注，是未來實現量子計算機的有力競爭者。除此之外它與現代半導體工藝相兼容的特點使其大規模擴展成為可能。高操控保真度要求比特在擁有較長的量子退相干時間的同時具備足夠快的操控速率。傳統的比特操控方式——電子自旋共振由于受到加熱效應的限制，其翻轉速率較慢。當體系中存在較強的自旋軌道耦合時，理論和實驗研究都表明可以利用電偶極自旋共振實現自旋比特的翻轉，其翻轉速率與自旋軌道耦合強度成正比，可以大大提高比特操控速率。因此對體系內自旋軌道耦合效應進行研究，可以為實現自旋量子比特的高保真度操控提供重要的物理基礎。

 

李海歐、郭國平等人針對一維鍺納米線具有較強的自旋軌道耦合相互作用的特點，近年來開展了一系列系統性的實驗研究。通過測量雙量子點中自旋阻塞區間漏電流的各向異性，首次在硅基鍺納米線的空穴量子點中實現了朗道g因子張量和自旋軌道耦合場方向的測量與調控 [Nano Letters 21, 3835-3842 (2021)]。在此基礎上，2022年課題組利用電偶極自旋共振實現了國際上最快速率的自旋量子比特操控，翻轉速率可達540MHz[Nature Communications 13, 206 (2022)]。

 

為了進一步研究硅基鍺納米線空穴體系中自旋軌道耦合機制并實現高度的可調性，課題組系統地測量了自旋阻塞區間漏電流隨外磁場大小和量子點能級失諧量的變化關系，通過理論建模和數值分析，得到了體系內的自旋軌道強度。通過調節柵極電壓并改變雙量子點間的耦合強度，實現了體系中自旋軌道耦合強度的大范圍調控。同時研究人員指出，在近期實現的新型圖形化可控生長的一維鍺納米線體系中，由于其具有因界面不對稱引起的Dresselhaus自旋軌道耦合以及可以高效調節的直接Rashba自旋軌道耦合，我們可以通過調節體系內的自旋耦合強度并改變納米線的生長方向，既可以在動量空間找到一個自旋軌道耦合完全關閉的位置，也可以利用自旋軌道開關找到在實現比特超快操控速率的同時，使得比特保持較長的量子退相干時間的最佳操控點（sweet spot）。這一發現為實現比特高保真度操控以及提升自旋量子比特的品質提供了重要的研究基礎。

圖1. (a)自旋軌道耦合長度（自旋軌道耦合強度的一種表示）隨柵極電壓VC的變化關系，(b)在動量空間中，不同機制引起的自旋軌道場用不同顏色的箭頭表示：藍色，直接Rashba自旋軌道場（BR），綠色，Dresselhaus自旋軌道場（BD），紅色，總自旋軌道場（Btotal）。當BR和BD的幅值相等且方向相反時，紅色星星處的總自旋軌道耦合場為零，自旋軌道耦合會被關閉。

 

中科院量子信息重點實驗室博士生劉赫、張庭以及博士后王柯為論文共同第一作者，中科院量子信息重點實驗室李海歐特任教授和郭國平教授為論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院以及安徽省的資助。李海歐特任教授得到了中國科學技術大學仲英青年學者項目的資助。

 

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.044052

 

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創新研究院、科研部）