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(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院半導(dǎo)體所趙建華-潘東團(tuán)隊(duì)合作，采用超精細(xì)指柵微納加工工藝技術(shù)，制備出載有兩個(gè)單電子電荷傳感器和一個(gè)耦合五量子點(diǎn)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(diǎn)陣列中的電子電荷態(tài)和量子點(diǎn)間電子耦合強(qiáng)度的高度可調(diào)性。這種高度可調(diào)控的耦合多量子點(diǎn)陣列器件的實(shí)現(xiàn)為基于半導(dǎo)體納米線材料構(gòu)建先進(jìn)的量子處理器提供了物理平臺(tái)。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(qiáng)自旋軌道相互作用的半導(dǎo)體納米線在構(gòu)筑先進(jìn)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(zhǔn)粒子的拓?fù)淞孔颖忍氐确矫婢哂袕V泛的應(yīng)用潛力。其中，由這些納米線制成的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)尤為重要，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)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(diǎn)也是理想的量子模擬計(jì)算平臺(tái)。因此，為了構(gòu)建耦合多量子點(diǎn)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(rèn)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(diǎn)器件中的量子點(diǎn)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(jìn)基于半導(dǎo)體納米線的量子硬件研究，擴(kuò)展集成電荷傳感器的耦合多量子點(diǎn)陣列的量子點(diǎn)數(shù)量便成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

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(xì)的局域頂指柵陣列技術(shù)制作了一維耦合五量子點(diǎn)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。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?dāng)_效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了五量子點(diǎn)陣列各個(gè)量子點(diǎn)能級的獨(dú)立調(diào)節(jié)。隨后，陣列中的四個(gè)點(diǎn)被用來形成兩對雙量子點(diǎn)。并將兩對雙量子點(diǎn)之間的耦合強(qiáng)度精準(zhǔn)調(diào)控到~240 GHz，其強(qiáng)度是基于砷化鎵、硅等構(gòu)筑的量子點(diǎn)陣列所獲得數(shù)值的數(shù)倍。這種超強(qiáng)耦合強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)可能是由于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(diǎn)與其環(huán)境的電容耦合相對較弱，從而增強(qiáng)了相鄰量子點(diǎn)之間的耦合強(qiáng)度?；谒木S哈密頓量的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好，支持上述分析推論。

該論文第一作者為北京大學(xué)博士研究生、量子院實(shí)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(xiàng)目的支持。

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