來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團隊郭國平、李海歐等人與中科院實體所張建軍和本源量子計算有限公司合作，在矽基半導體鍺納米線量子晶片研究中取得重要進展。
研究團隊首次在矽基鍺空穴量子點中實作朗道 g 因子張量和自旋軌道耦合場方向的測量與調控，對于該體系更好地實作自旋量子比特操控及尋找馬約拉納費米子有着重要的指導意義。
據了解，近年來，對自旋軌道耦合的研究一直是半導體量子計算和拓撲量子計算研究的熱點。
半導體材料中的自旋軌道互相作用能夠使粒子的自旋與軌道這兩個自由度耦合在一起，該機制在實作自旋電子學器件、自旋量子比特操控及尋找馬約拉納費米子中起着舉足輕重的作用。
在半導體自旋量子比特操控研究中，現有的自旋量子比特的操控方式依賴于樣品制備中內建的微波天線或微磁體這些可以産生人造調制磁場的結構，這使得量子比特大規模擴充時在可尋址和晶片結構制備方面受到制約；同時，微磁體結構會使自旋量子比特感受到更強的電荷噪聲，導緻自旋量子比特退相幹時間的降低。
是以，一種可行的解決方案是用材料中存在的自旋軌道耦合來實作全電學的自旋量子比特操控。
對于一維矽基鍺納米線空穴量子點而言，我們可以利用電偶極自旋共振技術，通過施加交變電場實作對自旋量子比特的全電學控制，大大簡化了量子比特的制備工藝，有利于實作矽基量子計算自旋比特單元的二維擴充；
同時，在自旋軌道耦合的電偶極自旋共振操控方式下，比特的操控速率與自旋軌道耦合強度成正比，是以我們可以通過改變外加電場的方式來增強自旋軌道耦合強度進而實作更快的比特操控速率；
除此之外，自旋軌道耦合場的方向也會影響自旋量子比特的操控速率以及比特初始化與讀取的保真度。
是以，在利用自旋軌道耦合實作自旋量子比特操控時，确定和調控自旋軌道耦合場的方向顯得尤為重要。
圖 1. 矽基鍺納米線空穴雙量子點中 g 因子張量及自旋軌道耦合場方向。
研究團隊在制備的高品質的矽基鍺空穴載流子雙量子點中觀察到了自旋阻塞效應，并在自旋阻塞區域測量了由自旋弛豫引起的漏電流大小随磁場大小及磁場方向的變化關系，通過理論分析，得到了該體系具有強各向異性的 g 因子張量，同時确定了自旋軌道耦合場的方向位于鍺納米線襯底面内并與鍺納米線方向成 59°，以上發現說明體系中除了存在垂直于鍺納米線的 Rashba 自旋軌道耦合，還存在着沿着納米線方向的可能是由界面不對稱性引起的 Dresselhaus 自旋軌道耦合。
研究過程中可以通過改變納米線的生長方向使得上述兩種自旋軌道耦合方向相反大小相等，進而實作自旋軌道耦合的開關。
這一發現對該體系在自旋量子比特制備與操控研究中，在保持超快比特操控速率的同時進一步延長比特的退相幹時間提供了新的思路，為全電控規模化矽基自旋量子比特晶片研究奠定了實體基礎。
該成果于 5 月 12 日在國際納米器件實體知名期刊《Nano Letters》上發表。中科院量子資訊重點實驗室郭國平教授、李海歐研究員為論文共同通訊作者，中科院量子資訊重點實驗室博士生張庭、劉赫以及中科院實體研究所博士後高飛為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術大學的資助。