半導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，這一技術進步推動科研人員利用納米技術尋求一個完全基於量子效應的信息處理方案。經過近二十年的發展，半導體量子點自旋比特固態器件以其可調控性和可擴展性成為最具應用潛力的固態量子計算方案之一，目前已成為以凝聚態物理為背景，融合了凝聚態理論、量子物理、納米加工技術、納米電子學、低溫技術、半導體器件工藝等多個研究方向的前沿交叉研究領域。

近日，北京大學信息科學技術學院、固態量子器件北京市重點實驗室「千人計劃」教授徐洪起課題組，與中國科學院半導體研究所、半導體超晶格國家重點實驗室趙建華研究員課題組合作，首次採用砷化銦（InAs）納米線製備出具有高可調性的半導體耦合三量子點量子器件，並對器件的電子穩態構型、相干輸運和電子在遠距離量子點之間通過虛態輔助隧穿進行長程交換的物理過程進行了精細測量。該研究展示了基於半導體納米線的線性三量子點體系可被用為通用量子器件平台，以及構築具有長相干時間、全電學調控的自旋量子比特器件和量子計算晶元的潛力。

半導體InAs材料具有較高的電子遷移率、較小的電子有效質量、較大的朗德因子和較強的自旋-軌道耦合。在本研究中，聯合課題組採用先進局域底指柵陣列技術，在單根單晶純相InAs納米線上構造出串聯耦合的三量子點結構，其中限制量子點的局域勢壘、量子點中的電化學勢、量子點之間的隧穿耦合強度均可被獨立調控；量子點輸運性質的測量和調控是在超低溫稀釋制冷機環境下完成的。該工作是首次在半導體InAs納米線三量子點器件中，以精細柵調控技術實現以能量簡併四重點為標誌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，在中間的量子點處於庫侖阻塞狀態時，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，從而展現超交換相互作用的物理過程。

相關研究結果以《基於純相砷化銦納米線所構造的線性三量子點器件中的電子相干輸運性質研究》（Coherent transport in a linear triple quantum dot made from a pure-phase InAs nanowire）為題，於2017年6月發表在《納米快報》（Nano Letters；DOI：10.1021/acs.nanolett.7b00927）上。北京大學信息科學技術學院博士研究生王積銀為第一作者，徐洪起教授和黃少雲副教授為共同通訊作者。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、高等學校博士學科點專項科研基金的支持。

（左）具有局域底指柵調控的單晶純相InAs納米線三量子點器件結構示意圖；

（右）測量得到的三量子點器件的一個二維電荷穩態圖

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