The Innovation | 百花齐放的硅基量子比特

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硅基量子点由于兼容成熟的微电子制造工艺以及拥有长自旋寿命，被认为是大规模通用量子计算的最佳平台。量子信息可以编码在栅控量子点中的电子（空穴）自旋或嵌入硅的磷核自旋上，从而构成量子计算的基本单位——量子比特（qubit）。过去几年，硅基qubit在克服退相干性、提高保真度、提升工作温度、改善可扩展性等方面都取得了长足进步。中国科学院半导体研究所骆军委团队介绍了硅基量子计算的典型量子点结构及其优缺点。

图1 图文摘要

通用量子计算机和针对特定系统进行量子模拟的类比量子模拟器均是当前量子技术的重点发展方向。量子计算利用量子态的叠加与纠缠，能够展现出比经典计算机更强大的计算能力。理论上，任何系统都可以使用通用量子计算机进行模拟，但目前实现通用量子计算机仍面临诸多挑战。而类比量子模拟可以针对某一特定系统，将其哈密顿量直接映射到模拟器的哈密顿量上进行模拟，相比于通用量子计算机更容易实现，但其适用范围会变得非常局限。基于栅控硅（锗）量子点中的电子（空穴）自旋或嵌入硅的磷核自旋进行编码的硅基qubit，因其兼容微电子制造工艺以及长自旋寿命而成为备受关注的量子平台。其中，核自旋qubit存在扫描隧道显微镜（STM）辅助刻蚀和离子注入两种磷原子掺杂方法，而电子自旋qubit根据栅控量子点结构的不同可分为异质结和金属氧化物半导体（MOS）。作为高度可调的量子系统，掺杂磷核自旋的量子点阵列和栅控量子点阵列均可使用Hubbard模型进行精确描述，从而可直接模拟强关联电子系统，是类比量子模拟器的有力竞争者。相比于中性超冷原子和超导电路等其他量子平台，硅基qubit之间的长程库伦相互作用和隧穿耦合等固有特性是模拟固态电子系统的关键。以下将分别介绍不同类型的硅基qubit在量子计算和量子模拟方面的优势与不足。

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量子计算

硅中磷核自旋具有比电子自旋更长的相干时间，但为qubit之间提供耦合的有效交换相互作用会随磷原子相对位置的变化发生激烈振荡，导致难以实现高精度的双量子逻辑门。最近，采用离子注入的磷核自旋qubit实现了双量子门保真度的突破，保真度达到99.37%，超过实现量子纠错(QEC)所需的阈值，但是对于采用STM-刻蚀工艺的施主掺杂量子点器件，目前还没有相关实验报道。作为半导体制造的关键工具，相比于STM-刻蚀技术，离子注入更为成熟，其瓶颈在于磷原子的随机放置，如何实现原子级精度的位置确定性注入是解决扩展问题的关键。

采用栅控量子点进行量子计算可以规避掺杂原子核自旋所面临的瓶颈。例如，可以通过放置在二维电子气体（2DEG）上的栅极精确定义量子点位置，并且可以利用量子点间的栅压有效调控自旋-自旋交换相互作用，从而实现双量子门的快速运算。年初的报道显示，在同位素提纯的²⁸Si/SiGe异质结上制备的栅控量子点也可实现高于QEC阈值的双量子门保真度，但Si/SiGe异质结的瓶颈是其电子态能谷劈裂过小，容易造成量子信息的泄漏。另一种栅控量子点是在微电子MOS结构的Si/SiO₂界面处束缚电子，门栅极电压产生的大垂直电场可显著增强硅的能谷劈裂，但在Si/SiO₂界面处存在的缺陷会产生噪声，降低qubit的保真度。

无论量子点结构或制造工艺如何改变，只要在电子自旋或核自旋上编码量子信息，均需要使用外部磁性器件以产生交变磁场或磁场梯度来操控qubit，这严重限制了硅基量子器件的可扩展性。基于此，近年来，科学工作者转向研究Ge/SiGe异质结空穴。位于价带的空穴拥有强大的自旋轨道耦合效应，目前已实现超过100 MHz的全电Ge空穴自旋qubit操控，是Si电子自旋qubit操控速度的10倍。基于Ge/SiGe异质结的二维空穴气，目前已经实现了由四个qubit组成的量子处理器和对16个量子点阵列的操控。

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量子模拟

量子点量子模拟最初采用了砷化镓（GaAs）栅控量子点，已实现对巡回铁磁性和Mott绝缘体的模拟。与栅控GaAs量子点相比，嵌入硅的磷核自旋拥有固有的库仑束缚势，可大大简化器件结构。最近，澳大利亚新南威尔士大学Kiczynski等人利用硅中的10个掺磷核自旋阵列演示了多体Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型的模拟，只需六个静电门便可控制十个量子点阵列，从而避免了不必要的串扰。此工作证明了磷掺杂的量子点结构在类比量子模拟中的优越性，向强关联电子系统的大规模量子点模拟器迈出了重要一步。

总结与展望

硅基量子点已成为量子计算和量子模拟非常有前景的平台，提出了多种不同的器件设计方案来解决面临的瓶颈。不仅硅基量子比特的每种结构、材料或qubit类型都具有其独特优势和局限性，不同的量子计算平台亦是如此。因此，未来量子技术的发展更可能是不同方法之间的互补。例如，光子连接或超导谐振腔可以实现半导体qubit之间的长程耦合。同时，半导体量子计算的探索也必将为传统半导体物理学带来新的认识。

责任编辑

曹志兴  华东理工大学

孙振宇  北京化工大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00126-6

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Commentary发表的“Zoo of Silicon-based quantum bits” (投稿: 2022-07-06；接收: 2022-08-30；在线刊出: 2022-09-27)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100330

引用格式：Liu Y. and Luo J. (2022). Zoo of Silicon-based quantum bits. The Innovation. 3(6),100330.

作者简介

骆军委，中国科学院半导体研究所研究员，半导体超晶格国家重点实验室副主任，2019年获得国家杰出青年基金资助。长期从事半导体物理与器件物理理论研究，聚焦突破硅基发光世界难题和硅量子比特关键瓶颈，为后摩尔时代发展硅光电子集成和硅量子计算提供新方法和新思路。已发表学术论文90余篇。担任32届半导体缺陷国际会议和22届多元化合物国际会议共同主席。

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