圖(左)硅基量子點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)隊在硅基量子點陣列的二維擴(kuò)展及其耦合可調(diào)性研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊郭國平教授、王保傳特任副研究員等人與本源量子計算有限公司合作，成功研制出一種具有高度耦合可調(diào)的二維硅基量子點陣列，首次在硅量子點陣列中實現(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)展量子比特數(shù)量的潛力，成為實現(xiàn)實用化量子計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量子計算發(fā)展的過程中取得了重大進(jìn)展，包括實現(xiàn)超過容錯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)體量子計算的發(fā)展，實現(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)以及實驗室平面工藝的局限性等因素，硅基量子點陣列的二維擴(kuò)展研究進(jìn)展緩慢，國際上相關(guān)報道相對較少。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)計并制備了一個包含中心勢壘柵極的2×2硅基量子點陣列器件。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，該器件每個量子點中的電子可以實現(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陣列作為量子計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)院量子信息重點實驗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