【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京量子信息科學(xué)研究院(以下簡稱量子院)/北京大學(xué)徐洪起團隊與中國科學(xué)院半導(dǎo)體所趙建華-潘東團隊合作，采用超精細指柵微納加工工藝技術(shù)，制備出載有兩個單電子電荷傳感器和一個耦合五量子點一維陣列的半導(dǎo)體砷化銦(InAs)納米線集成器件，并通過超精密低溫電子學(xué)測量，揭示了該耦合五量子點陣列中的電子電荷態(tài)和量子點間電子耦合強度的高度可調(diào)性。這種高度可調(diào)控的耦合多量子點陣列器件的實現(xiàn)為基于半導(dǎo)體納米線材料構(gòu)建先進的量子處理器提供了物理平臺。2024年10月28日，相關(guān)研究成果以“One-dimensional quantum dot array integrated with charge sensors in an InAs nanowire”為題發(fā)表在《Nano Letters》上。
 

　　具有強自旋軌道相互作用的半導(dǎo)體納米線在構(gòu)筑先進的量子處理器和探索新奇物理，例如自旋量子比特、Andreev自旋量子比特和基于Majorana準粒子的拓撲量子比特等方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。其中，由這些納米線制成的量子點結(jié)構(gòu)尤為重要，因為量子點是構(gòu)建半導(dǎo)體量子比特的關(guān)鍵載體和作為量子態(tài)讀出的敏感單元。線性陣列中的耦合多量子點也是理想的量子模擬計算平臺。因此，為了構(gòu)建耦合多量子點陣列器件并研究其豐富的電荷/自旋態(tài)特性，半導(dǎo)體納米線被認為是最佳材料系統(tǒng)之一。然而，目前采用半導(dǎo)體納米線構(gòu)筑多量子點器件中的量子點數(shù)量仍然有限。這主要是由于在這種一維系統(tǒng)上集成高度靈敏電荷傳感器的制作工藝技術(shù)上仍存在挑戰(zhàn)。為了推進基于半導(dǎo)體納米線的量子硬件研究，擴展集成電荷傳感器的耦合多量子點陣列的量子點數(shù)量便成為了當前研究的重點。
 

　　圖1. 集成電荷探測器的線性耦合五量子點陣列器件的掃描電鏡圖片及其器件結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖
 

圖2. 通過“虛擬柵”調(diào)控技術(shù)獲得的耦合線性五量子點陣列的電子電荷穩(wěn)態(tài)相圖
 

　　研究人員基于由分子束外延生長獲得的單根半導(dǎo)體InAs納米線，利用超精細的局域頂指柵陣列技術(shù)制作了一維耦合五量子點器件，并在兩側(cè)集成了電荷傳感器用于其電荷穩(wěn)態(tài)構(gòu)型的讀取(如圖1所示)。研究人員通過線性重組各柵極調(diào)控電壓的“虛擬柵”技術(shù)，有效消除了柵極之間的串擾效應(yīng)，實現(xiàn)了五量子點陣列各個量子點能級的獨立調(diào)節(jié)(如圖2所示)。隨后，陣列中的四個點被用來形成兩對雙量子點。并將兩對雙量子點之間的耦合強度精準調(diào)控到~240 GHz，其強度是基于砷化鎵、硅等構(gòu)筑的量子點陣列所獲得數(shù)值的數(shù)倍。這種超強耦合強度的實現(xiàn)是由于InAs納米線的直徑非常小(~30 nm)，且納米線與周圍環(huán)境具有良好隔離所致。特別是后者導(dǎo)致半導(dǎo)體納米線中的量子點與其環(huán)境的電容耦合相對較弱，從而增強了相鄰量子點之間的耦合強度。基于四維哈密頓量的理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合很好(如圖3所示)，支持上述分析推論。
 

　　圖3. 半導(dǎo)體InAs納米線量子點陣列中兩雙量子點間電容耦合強度的提取測量及其數(shù)值模擬結(jié)果
 

　　該論文第一作者為北京大學(xué)博士研究生、量子院實習(xí)生羅毅，通訊作者為中國科學(xué)院半導(dǎo)體所潘東研究員、量子院王積銀副研究員、北京大學(xué)講席教授/量子院首席科學(xué)家徐洪起教授。合作者還包括量子院助理研究員劉曉斐、劉志海和顏世莉，博士后高涵，北京大學(xué)博士生李偉杰和蘇海天，以及中國科學(xué)院半導(dǎo)體所趙建華研究員。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委等項目的支持。