最新进展，中国科学技术大学郭光灿院士团队在硅基半导体自旋量子比特操控研究中取得飞跃进展。该团队由郭国平教授、李海欧研究员与中科院物理所张建军研究员等人和美国、澳大利亚的研究人员以及本源量子计算公司合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，其自旋翻转速率超过540MHz，是目前国际上已报道的最高值。
研究成果以“Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot”为题，于1月11日在线发表在国际知名期刊《自然⋅通讯》上[1]。
1. 硅基半导体量子计算
硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，是量子计算研究的核心方向之一，同时也是量子机开发颇具关注的一个方向。
业界知名的玩家，有澳大利亚新南威尔士大学量子计算与通讯技术中心(CQC2T),过去他们就宣布成功解决了通过重新构建传统硅基微处理器的方式创造出一套完整的硅基量子计算芯片设计方案。
John Martinis教授曾是谷歌量子团队的灵魂人物，团队在其带领下助力谷歌实现了“量子霸权”，证明了量子计算机对于传统计算机的无与伦比的优越性，但后面还是选择了硅基半导体量子比特构建量子计算机的方向（阅：硅量子计算或迎来爆发期，谷歌前量子计算负责人John Martinis正式加入SQC）。
而就在一个月前，新的初创公司Equal1获得了约合人民币7182万的混合(赠款和股权)资金（阅：硅量子计算公司Equal1再获注资1000万欧元），该公司也是主攻硅基量子方向。
而上文中提到的本源量子，公开资料显示该公司除了在低温超导量子计算领域布局，也是国内唯一同时开展硅基半导体量子计算工程化的企业。因此，郭光灿院士团队的研究成果也在引领着这一个方向的推进。
2. 高操控保真度是真挑战
高操控保真度要求量子比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转的方案，比特操控速率较慢，研究人员发现，利用电偶极自旋共振可以实现更 快速率的自旋比特操控。
电偶极自旋共振主要通过嵌入器件中的微磁体结构所产生的“人造自旋轨道耦合”来实现，这使得自旋量子比特感受到了更强的电荷噪声，从而降低了自旋量子比特的退相干时间，同时降低了自旋量子比特阵列的平均操控保真度，阻碍了硅基自旋量子比特单元的二维扩展。
一种可行的有效方案是使用材料中天然存在的自旋轨道耦合进行自旋量子比特操控。
硅基量子点中的空穴载流子处于 P 轨道态，因而天然具有强的本征自旋轨道耦合效应 和弱的超精细相互作用。利用电偶极自旋共振技术，通过一个交变电场就可以实现对空穴自旋量子比特的全电学控制，大大简化了量子比特的制备工艺，有利于实现硅基自旋量子 比特单元的二维扩展。
鉴于此，近几年硅基空穴体系中自旋轨道耦合研究和实现超快自旋 量子比特操控成为领域关注的热点。
自旋轨道耦合场的方向会影响自旋比特操控速率以及比特初始化与读取的保真度，测量并确定自旋轨道耦合场的方向是首要任务，研究组在 2021年首次在锗硅纳米线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 [Nano Letters 21, 3835- 3842 (2021)]。
在此基础上，李海欧等人进一步优化器件性能，在耦合强度高度可调的双 量子点中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读取，观测到了多能级的电偶极自旋共振谱。通过调节和选择不同的自旋翻转模式，实现了自旋翻转速率超过 540 MHz 的自旋量子比 特超快操控。
研究人员通过建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要贡献，来 自于该体系的强自旋轨道耦合效应(超短的自旋轨道耦合长度)。研究结果表明锗硅空穴 自旋量子比特体系是实现全电控半导体量子计算的重要候选之一，为半导体量子计算研究 开拓了一个新的领域。
据对外的发文显示，中科院量子信息重点实验室博士后王柯和博士研究生徐刚(已毕业)为论文共同第一作者。
中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧研究员和中科院物理所张建军研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省的资助。李海欧研究员得到了中国科学技术大学仲英青年学者项目的资助。
引用：
[1]https://doi.org/10.1038/s41467-021-27880-7
