半導體耦合多量子點(diǎn)量子比特器件研究取得重要進(jìn)展

　　在不遠的將來(lái)，摩爾定律所預示的微電子器件的尺寸將微縮到一系列物理極限，這一技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)科研人員利用納米技術(shù)尋求一個(gè)完全基于量子效應的信息處理方案。經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，半導體量子點(diǎn)自旋比特固態(tài)器件以其可調控性和可擴展性成為最具應用潛力的固態(tài)量子計算方案之一，目前已成為以凝聚態(tài)物理為背景，融合了凝聚態(tài)理論、量子物理、納米加工技術(shù)、納米電子學(xué)、低溫技術(shù)、半導體器件工藝等多個(gè)研究方向的前沿交叉研究領(lǐng)域。

　　近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、固態(tài)量子器件北京市重點(diǎn)實(shí)驗室“千人計劃”教授徐洪起課題組，與中國科學(xué)院半導體研究所、半導體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗室趙建華研究員課題組合作，首次采用砷化銦(InAs)納米線(xiàn)制備出具有高可調性的半導體耦合三量子點(diǎn)量子器件，并對器件的電子穩態(tài)構型、相干輸運和電子在遠距離量子點(diǎn)之間通過(guò)虛態(tài)輔助隧穿進(jìn)行長(cháng)程交換的物理過(guò)程進(jìn)行了精細測量。該研究展示了基于半導體納米線(xiàn)的線(xiàn)性三量子點(diǎn)體系可被用為通用量子器件平臺，以及構筑具有長(cháng)相干時(shí)間、全電學(xué)調控的自旋量子比特器件和量子計算芯片的潛力。

　　半導體InAs材料具有較高的電子遷移率、較小的電子有效質(zhì)量、較大的朗德因子和較強的自旋-軌道耦合。在本研究中，聯(lián)合課題組采用先進(jìn)局域底指柵陣列技術(shù)，在單根單晶純相InAs納米線(xiàn)上構造出串聯(lián)耦合的三量子點(diǎn)結構，其中限制量子點(diǎn)的局域勢壘、量子點(diǎn)中的電化學(xué)勢、量子點(diǎn)之間的隧穿耦合強度均可被獨立調控;量子點(diǎn)輸運性質(zhì)的測量和調控是在超低溫稀釋制冷機環(huán)境下完成的。該工作是首次在半導體InAs納米線(xiàn)三量子點(diǎn)器件中，以精細柵調控技術(shù)實(shí)現以能量簡(jiǎn)并四重點(diǎn)為標志的三量子點(diǎn)相干共振耦合。研究還通過(guò)電子相干輸運測量證實(shí)，在中間的量子點(diǎn)處于庫侖阻塞狀態(tài)時(shí)，被中間量子點(diǎn)隔開(kāi)的兩端量子點(diǎn)之間依然可通過(guò)共隧穿實(shí)現相干強耦合，其單電子能夠在遠端兩個(gè)量子點(diǎn)之間進(jìn)行長(cháng)程相干交換，從而展現超交換相互作用的物理過(guò)程。

　　相關(guān)研究結果以《基于純相砷化銦納米線(xiàn)所構造的線(xiàn)性三量子點(diǎn)器件中的電子相干輸運性質(zhì)研究》(Coherent transport in a linear triple quantum dot made from a pure-phase InAs nanowire)為題，于2017年6月發(fā)表在《納米快報》(Nano Letters;DOI：10.1021/acs.nanolett.7b00927)上。北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生王積銀為第一作者，徐洪起教授和黃少云副教授為共同通訊作者。

　　上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家重大科學(xué)研究計劃、國家自然科學(xué)基金、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項科研基金的支持。

　　(左)具有局域底指柵調控的單晶純相InAs納米線(xiàn)三量子點(diǎn)器件結構示意圖;(右)測量得到的三量子點(diǎn)器件的一個(gè)二維電荷穩態(tài)圖