半導(dǎo)體耦合多量子點量子比特器件研究取得重要進展

　　在不遠的將來，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)進步推動科研人員利用納米技術(shù)尋求一個完全基于量子效應(yīng)的信息處理方案。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，半導(dǎo)體量子點自旋比特固態(tài)器件以其可調(diào)控性和可擴展性成為最具應(yīng)用潛力的固態(tài)量子計算方案之一，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實驗室“千人計劃”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)體超晶格國家重點實驗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)體耦合三量子點量子器件，并對器件的電子穩(wěn)態(tài)構(gòu)型、相干輸運和電子在遠距離量子點之間通過虛態(tài)輔助隧穿進行長程交換的物理過程進行了精細測量。該研究展示了基于半導(dǎo)體納米線的線性三量子點體系可被用為通用量子器件平臺，以及構(gòu)筑具有長相干時間、全電學(xué)調(diào)控的自旋量子比特器件和量子計算芯片的潛力。

　　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的自旋-軌道耦合。在本研究中，聯(lián)合課題組采用先進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)耦合的三量子點結(jié)構(gòu)，其中限制量子點的局域勢壘、量子點中的電化學(xué)勢、量子點之間的隧穿耦合強度均可被獨立調(diào)控;量子點輸運性質(zhì)的測量和調(diào)控是在超低溫稀釋制冷機環(huán)境下完成的。該工作是首次在半導(dǎo)體InAs納米線三量子點器件中，以精細柵調(diào)控技術(shù)實現(xiàn)以能量簡并四重點為標志的三量子點相干共振耦合。研究還通過電子相干輸運測量證實，在中間的量子點處于庫侖阻塞狀態(tài)時，被中間量子點隔開的兩端量子點之間依然可通過共隧穿實現(xiàn)相干強耦合，其單電子能夠在遠端兩個量子點之間進行長程相干交換，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)造的線性三量子點器件中的電子相干輸運性質(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》(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研發(fā)計劃、國家重大科學(xué)研究計劃、國家自然科學(xué)基金、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金的支持。

　　(左)具有局域底指柵調(diào)控的單晶純相InAs納米線三量子點器件結(jié)構(gòu)示意圖;(右)測量得到的三量子點器件的一個二維電荷穩(wěn)態(tài)圖