圖(左)硅基量子點(diǎn)二維陣列器件核心區(qū)的電子顯微鏡偽色圖;(右)任意調(diào)控量子點(diǎn)間最近鄰和次近鄰耦合，從而構(gòu)造出不同的耦合結(jié)構(gòu)。

我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在硅基量子點(diǎn)陣列的二維擴(kuò)展及其耦合可調(diào)性研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國平教授、王保傳特任副研究員等人與本源量子計(jì)算有限公司合作，成功研制出一種具有高度耦合可調(diào)的二維硅基量子點(diǎn)陣列，首次在硅量子點(diǎn)陣列中實(shí)現(xiàn)了對最近鄰以及次近鄰耦合的獨(dú)立大范圍調(diào)控。這一研究成果對推動硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算研究具有重要意義。相關(guān)研究成果以“Highly Tunable 2D Silicon Quantum Dot Array with Coupling beyond Nearest Neighbors”為題，于10月14日在線發(fā)表在國際期刊Nano Letters上。

硅基半導(dǎo)體量子點(diǎn)以其較小的特征尺寸和與現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝的兼容性，具備大規(guī)模擴(kuò)展量子比特?cái)?shù)量的潛力，成為實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算和量子模擬的重要候選方案之一。近兩年來，硅基自旋量子比特在向容錯(cuò)量子計(jì)算發(fā)展的過程中取得了重大進(jìn)展，包括實(shí)現(xiàn)超過容錯(cuò)閾值的單比特和雙比特量子門，以及基于線性陣列的多比特通用量子門操控。為了進(jìn)一步推動硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)量子比特的二維耦合擴(kuò)展顯得尤為重要。然而，由于小尺寸帶來的制造挑戰(zhàn)以及實(shí)驗(yàn)室平面工藝的局限性等因素，硅基量子點(diǎn)陣列的二維擴(kuò)展研究進(jìn)展緩慢，國際上相關(guān)報(bào)道相對較少。此外，現(xiàn)有研究主要關(guān)注最近鄰耦合的可調(diào)性，缺少對次近鄰耦合的調(diào)控研究，而這一調(diào)控在量子計(jì)算和模擬中具有重要的意義。

基于以上背景，我校郭國平教授研究組設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)包含中心勢壘柵極的2×2硅基量子點(diǎn)陣列器件。研究人員在極低溫下對該器件的性能進(jìn)行了系統(tǒng)表征，研究結(jié)果表明，該器件每個(gè)量子點(diǎn)中的電子可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立填充，并調(diào)節(jié)至單電子占據(jù)狀態(tài)。此外，最近鄰耦合能夠在較大范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)控，而次近鄰耦合則可以通過中心勢壘柵極實(shí)現(xiàn)非對稱調(diào)控。基于這種高度的可調(diào)性，研究人員可以根據(jù)需求選擇性地關(guān)閉和打開特定的耦合，從而將量子點(diǎn)陣列配置為不同的耦合結(jié)構(gòu)并開展具體應(yīng)用研究。這一工作為硅量子點(diǎn)陣列作為量子計(jì)算與量子模擬的多功能平臺提供了全新可能性。

中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生王寧為論文第一作者，特任副研究員王保傳為論文通訊作者。該工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院以及安徽省的資助。

審核編輯 黃宇