中國科大實現(xiàn)耦合高度可調的二維硅基量子點陣列

我校郭光燦院士團隊在硅基量子點陣列的二維擴展及其耦合可調性研究中取得重要進展。該團隊郭國平教授、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立大范圍調控。這一研究成果對推動硅基半導體量子計算研究具有重要意義。相關研究成果以“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。

硅基半導體量子點以其較小的特征尺寸和與現(xiàn)代半導體制造工藝的兼容性，具備大規(guī)模擴展量子比特數(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。為了進一步推動硅基半導體量子計算的發(fā)展，實現(xiàn)量子比特的二維耦合擴展顯得尤為重要。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展研究進展緩慢，國際上相關報道相對較少。此外，現(xiàn)有研究主要關注最近鄰耦合的可調性，缺少對次近鄰耦合的調控研究，而這一調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行了系統(tǒng)表征，研究結果表明，該器件每個量子點中的電子可以實現(xiàn)獨立填充，并調節(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獨立調控，而次近鄰耦合則可以通過中心勢壘柵極實現(xiàn)非對稱調控?；谶@種高度的可調性，研究人員可以根據(jù)需求選擇性地關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構并開展具體應用研究。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。

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）任意調控量子點間最近鄰和次近鄰耦合，從而構造出不同的耦合結構。