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北大在半导体耦合多量子点量子比特器件研究中取得重要进展
2017-07-05 北京大学

  在不远的将来,摩尔定律所预示的微电子器件的尺寸将微缩到一系列物理极限,这一技术进步推动科研人员利用纳米技术寻求一个完全基于量子效应的信息处理方案。经过近二十年的发展,半导体量子点自旋比特固态器件以其可调控性和可扩展性成为最具应用潜力的固态量子计算方案之一,目前已成为以凝聚态物理为背景,融合了凝聚态理论、量子物理、纳米加工技术、纳米电子学、低温技术、半导体器件工艺等多个研究方向的前沿交叉研究领域。

  近日,北京大学信息科学技术学院、固态量子器件北京市重点实验室“千人计划”教授徐洪起课题组,与中国科学院半导体研究所、半导体超晶格国家重点实验室赵建华研究员课题组合作,首次采用砷化铟(InAs)纳米线制备出具有高可调性的半导体耦合三量子点量子器件,并对器件的电子稳态构型、相干输运和电子在远距离量子点之间通过虚态辅助隧穿进行长程交换的物理过程进行了精细测量。该研究展示了基于半导体纳米线的线性三量子点体系可被用为通用量子器件平台,以及构筑具有长相干时间、全电学调控的自旋量子比特器件和量子计算芯片的潜力。

  半导体InAs材料具有较高的电子迁移率、较小的电子有效质量、较大的朗德因子和较强的自旋-轨道耦合。在本研究中,联合课题组采用先进局域底指栅阵列技术,在单根单晶纯相InAs纳米线上构造出串联耦合的三量子点结构,其中限制量子点的局域势垒、量子点中的电化学势、量子点之间的隧穿耦合强度均可被独立调控;量子点输运性质的测量和调控是在超低温稀释制冷机环境下完成的。该工作是首次在半导体InAs纳米线三量子点器件中,以精细栅调控技术实现以能量简并四重点为标志的三量子点相干共振耦合。研究还通过电子相干输运测量证实,在中间的量子点处于库仑阻塞状态时,被中间量子点隔开的两端量子点之间依然可通过共隧穿实现相干强耦合,其单电子能够在远端两个量子点之间进行长程相干交换,从而展现超交换相互作用的物理过程。

  相关研究结果以《基于纯相砷化铟纳米线所构造的线性三量子点器件中的电子相干输运性质研究》(Coherent transport in a linear triple quantum dot made from a pure-phase InAs nanowire)为题,于2017年6月发表在《纳米快报》(Nano Letters;DOI:10.1021/acs.nanolett.7b00927)上。北京大学信息科学技术学院博士研究生王积银为第一作者,徐洪起教授和黄少云副教授为共同通讯作者。

  上述研究工作得到国家重点研发计划、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、高等学校博士学科点专项科研基金的支持。

(左)具有局域底指栅调控的单晶纯相InAs纳米线三量子点器件结构示意图;(右)测量得到的三量子点器件的一个二维电荷稳态图

 

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