近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队在硅基半导体量子芯片研究中取得重要进展。
前述团队郭国平、李海欧教授等人与中科院物理所研究员张建军、纽约州立大学布法罗分校教授胡学东以及本源量子计算有限公司合作，在硅基锗空穴量子点中实现了自旋轨道耦合强度的高效调控，为该体系实现自旋轨道开关，以及提升自旋量子比特的品质，提供了重要的指导意义。相关成果在线发表于应用物理国际期刊《Physical Review Applied》。
图片来自Physical Review Applied
传统计算机使用0或1的比特来存储信息，量子计算机则以量子比特作为信息编码和存储的基本单元。硅基自旋量子比特具有较长的量子退相干时间以及高操控保真度，因而受到广泛关注，有助于未来实现量子计算机。此外，它能与现代半导体工艺相兼容的特点，使大规模扩展量子计算机成为可能。
高操控保真度要求量子比特在拥有较长量子退相干时间的同时，具备足够快的操控速率。在传统的量子比特操控方式下，电子自旋共振由于受到加热效应限制，其翻转速率较慢。当体系中存在较强的自旋轨道耦合时，理论和实验研究都表明可以利用电偶极自旋共振，实现自旋量子比特的翻转，其翻转速率与自旋轨道耦合强度成正比，能够大大提高量子比特操控速率。因此对体系内自旋轨道耦合效应进行研究，能为实现自旋量子比特的高保真度操控，提供重要的物理基矗
近年来，中科大郭光灿团队李海欧、郭国平等人针对一维锗纳米线具有较强的自旋轨道耦合相互作用的特点，开展了一系列的系统性实验研究。
前述团队通过测量双量子点中自旋阻塞区间漏电流的各向异性，首次在硅基锗纳米线的空穴量子点中，实现了朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控。在此基础上，2022年团队利用电偶极自旋共振实现了国际上最快速率的自旋量子比特操控，翻转速率可达540MHz（兆赫）。
此次，为了进一步研究硅基锗纳米线空穴体系中自旋轨道耦合机制，并实现高度的可调性，团队系统地测量了自旋阻塞区间漏电流随外磁场大小，以及量子点能级失谐量的变化关系，通过理论建模和数值分析，得到了体系内的自旋轨道强度。研究人员通过调节栅极电压并改变双量子点间的耦合强度，实现了体系中自旋轨道耦合强度的大范围调控。
自旋轨道耦合效应在半导体自旋电子学有很多具体应用，实际研究中根据介质材料所受力的性质和材料结构对称性，可以将自旋轨道耦合效应分为Rashba自旋轨道耦合和Dressalhaus自旋轨道耦合。
a为自旋轨道耦合长度（自旋轨道耦合强度的一种表示）随栅极电压VC的变化关系，b为在动量空间中，不同机制引起的自旋轨道场用不同颜色的箭头表示：蓝色为直接Rashba自旋轨道场，绿色为Dresselhaus自旋轨道场，红色为总自旋轨道场，图片来自论文
研究人员表示，在近期实现的新型图形化可控生长的一维锗纳米线体系中，其具有因界面不对称引起的Dresselhaus自旋轨道耦合，以及可以高效调节的直接Rashba自旋轨道耦合，因此通过调节体系内的自旋耦合强度，并改变纳米线的生长方向，既可以在动量空间找到一个自旋轨道耦合完全关闭的位置，也可以利用自旋轨道开关，找到同时实现量子比特超快操控速率和使其保持较长量子退相干时间的最佳操控点。
前述发现为实现量子比特高保真度操控，以及提升自旋量子比特的品质提供了重要的研究基矗
中科院量子信息重点实验室博士生刘赫、张庭以及博士后王柯为论文共同第一作者，中科院量子信息重点实验室李海欧特任教授和郭国平教授为论文共同通讯作者。前述研究获得科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省资助，李海欧获得中国科学技术大学仲英青年学者项目资助。
