半導(dǎo)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(yuǎn)的將來，摩爾定律所預(yù)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(yīng)的信息處理方案。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，半導(dǎo)體量子點(diǎn)自旋比特固態(tài)器件以其可調(diào)控性和可擴(kuò)展性成為最具應(yīng)用潛力的固態(tài)量子計(jì)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(dǎo)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(yàn)室“千人計(jì)劃”教授徐洪起課題組，與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙建華研究員課題組合作，首次采用砷化銦(InAs)納米線制備出具有高可調(diào)性的半導(dǎo)體耦合三量子點(diǎn)量子器件，并對器件的電子穩(wěn)態(tài)構(gòu)型、相干輸運(yùn)和電子在遠(yuǎn)距離量子點(diǎn)之間通過虛態(tài)輔助隧穿進(jìn)行長程交換的物理過程進(jìn)行了精細(xì)測量。該研究展示了基于半導(dǎo)體納米線的線性三量子點(diǎn)體系可被用為通用量子器件平臺(tái)，以及構(gòu)筑具有長相干時(shí)間、全電學(xué)調(diào)控的自旋量子比特器件和量子計(jì)算芯片的潛力。

　　半導(dǎo)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(qiáng)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納米線上構(gòu)造出串聯(lián)耦合的三量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度均可被獨(dú)立調(diào)控;量子點(diǎn)輸運(yùn)性質(zhì)的測量和調(diào)控是在超低溫稀釋制冷機(jī)環(huán)境下完成的。該工作是首次在半導(dǎo)體InAs納米線三量子點(diǎn)器件中，以精細(xì)柵調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)以能量簡并四重點(diǎn)為標(biāo)志的三量子點(diǎn)相干共振耦合。研究還通過電子相干輸運(yùn)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)隔開的兩端量子點(diǎn)之間依然可通過共隧穿實(shí)現(xiàn)相干強(qiáng)耦合，其單電子能夠在遠(yuǎn)端兩個(gè)量子點(diǎn)之間進(jìn)行長程相干交換，從而展現(xiàn)超交換相互作用的物理過程。

　　相關(guān)研究結(jié)果以《基于純相砷化銦納米線所構(gòu)造的線性三量子點(diǎn)器件中的電子相干輸運(yùn)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(bào)》(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(jì)劃、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金的支持。

　　(左)具有局域底指柵調(diào)控的單晶純相InAs納米線三量子點(diǎn)器件結(jié)構(gòu)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(wěn)態(tài)圖