研究透视：Nature Electronics-硅量子点材料，鳍式场效应晶体管​FinFET

导读：FinFET全称Fin Field-Effect Transistor，鳍式场效应晶体管，是一种新的互补式金氧半导体晶体管。FinFET命名根据晶体管的形状与鱼鳍的相似性。

量子计算的最大挑战，是实现可扩展性。以前面临这些问题的是经典计算，目前依赖于承载数十亿鳍场效应晶体管的硅芯片。对于量子应用来说，这些设备足够小：在低温下，门捕获的电子或空穴可以充当自旋量子比特。这种方法，潜在地允许量子硬件及其经典控制电子设备集成在同一芯片上。然而，这需要量子位在高于1K的温度下操作，其中冷却克服了热耗散。

近日，瑞士 巴塞尔大学(University of Basel)Dominik M. Zumbühl和Andreas V. Kuhlmann团队在Nature Electronics上发文，报道了展示了硅鳍形场效应晶体管，可以承载工作在4K以上的自旋量子比特。实现了空穴自旋的快速电控制，驱动频率高达150MHz，单量子比特门保真度在容错阈值，拉比振荡品质因子大于87。这一设备具有行业兼容性和质量，并以灵活和敏捷方式制造，这将加快量子计算进一步发展。

A hole spin qubit in a fin field-effect transistor above 4 kelvin. 

4开尔文以上鳍式场效应晶体管中的空穴自旋量子比特。

图1：FinFET的自旋-轨道量子比特。

图2：热量子比特相干性。

图3：X、Y和Z量子位门。

图4：动态解耦和噪声谱。

该项研究报道了，在4K以上工作的硅鳍片场效应晶体管中的空穴自旋量子比特。强自旋轨道偶合spin–orbit interaction SOI，允许147MHz的自旋旋转，弱超精细耦合确保T*2高达440ns。除了双轴控制之外，还通过使用G*因子的电调谐性，实现快速Z旋转。在1.5K下，实现了容错单量子比特门保真度。这些结果是使用行业兼容的FinFET器件架构实现的，该架构也非常适合于实现更大的相互作用量子比特阵列，例如交换耦合QD自旋的线性链。通过耦合到超导MW谐振器或相干自旋穿梭，可以实现超过最近邻的连通性。

在寻求更高量子比特品质因子过程中，可以通过设计一个几乎没有核自旋的环境，防止超精细诱导的退相。尽管更强的自旋轨道偶合SOI，产生更短的栅极时间，但也增加了对电荷噪声的敏感性。然而，对于硅鳍片场效应晶体管FinFET的空穴自旋，已经预测了一种异常强且同时电可调的自旋轨道偶合SOI，允许在量子位空闲和操纵模式之间按需切换。

此外，对于精确的量子位测量，需要空穴自旋的快速单次读出。在几个开尔文温度下，这可以使用利用两个量子化状态之间隧道效应的双量子点 double quantum dot DQD电荷传感器来实现。与单传感器量子点Quantum dot QD相比，该技术对温度适应能力更强，并且在大于100 kHz带宽下，实现了高达8K的高保真单次读出。此外，使用硅DQD49射频反射计证明了<1μs的读取时间分辨率，这与空穴自旋寿命相比是快速的。在4K及以上的温度下，这些FinFET的空穴自旋量子比特，有望应用于这些最新量子读出技术。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00722-0

https://doi.org/10.1038/s41928-022-00722-0

本文译自Nature。

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