日前，中国科学技术学院郭光灿教授团队在硅基半导体量子芯片研究中取得重要进展。
前述团队郭国平、李海欧院长等人与中科院化学所研究员张建军、纽约州立学院巴尔的摩学校院长胡学东以及本源量子估算有限公司合作锗与量子通讯，在硅基锗空穴量子点中实现了载流子轨道耦合硬度的高效调控，为该体系实现载流子轨道开关，以及提高载流子量子比特的品质，提供了重要的指导意义。相关成果在线发表于应用数学国际刊物《》。
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传统计算机使用0或1的比特来储存信息，量子计算机则以量子比特作为信息编码和储存的基本单元。硅基载流子量子比特具有较长的量子退相干时间以及高操控保真度，因此遭到广泛关注，有助于未来实现量子计算机。据悉，它能与现代半导体工艺相兼容的特性，使大规模扩充量子计算机成为可能。
高操控保真度要求量子比特在拥有较长量子退相干时间的同时，具备足够快的操控速度。在传统的量子比特操控方法下，电子载流子共振因为遭到加热效应限制，其翻转速度较慢。当体系中存在较强的载流子轨道耦合时，理论和实验研究都表明可以借助电偶极载流子共振，实现载流子量子比特的翻转，其翻转速度与载流子轨道耦合硬度成反比，就能大大提升量子比特操控速度。因而对体系内载流子轨道耦合效应进行研究，能为实现载流子量子比特的高保真度操控，提供重要的数学基础。
近些年来，中科大郭光灿团队李海欧、郭国平等人针对一维锗纳拉面具有较强的载流子轨道耦合互相作用的特性，举办了一系列的系统性实验研究。
前述团队通过检测双量子点中载流子阻塞区间漏电压的各向异性，首次在硅基锗纳火锅的空穴量子点中，实现了朗道g因子张量和载流子轨道耦合场方向的检测与调控。在此基础上，2022年团队借助电偶极载流子共振实现了国际上最快速率的载流子量子比特操控，翻转速度可达（兆赫）。
这次，为了进一步研究硅基锗纳火锅空穴体系中载流子轨道耦合机制，并实现高度的可调性，团队系统地检测了载流子阻塞区间漏电压随外磁场大小，以及量子点基态失谐量的变化关系，通过理论建模和数值剖析，得到了体系内的载流子轨道硬度。研究人员通过调节载流子电流并改变双量子点间的耦合硬度，实现了体系中载流子轨道耦合硬度的大范围调控。
载流子轨道耦合效应在半导体载流子电子学有好多具体应用，实际研究中按照介质材料所受力的性质和材料结构对称性，可以将载流子轨道耦合效应分为载流子轨道耦合和载流子轨道耦合。
a为载流子轨道耦合宽度（载流子轨道耦合硬度的一种表示）随集电极电流VC的变化关系，b为在动量空间中，不同机制导致的载流子轨道场用不同颜色的箭头表示：红色为直接载流子轨道场，红色为载流子轨道场，白色为总载流子轨道场，图片来自论文
研究人员表示，在近日实现的新型图形化可控生长的一维锗纳拉面体系中，其具有因界面不对称造成的载流子轨道耦合，以及可以高效调节的直接载流子轨道耦合，因而通过调节体系内的载流子耦合硬度，并改变纳拉面的生长方向，既可以在动量空间找到一个载流子轨道耦合完全关掉的位置，也可以借助载流子轨道开关，找到同时实现量子比特超快操控速度和使其保持较长量子退相干时间的最佳操控点。
前述发觉为实现量子比特高保真度操控锗与量子通讯，以及提高载流子量子比特的品质提供了重要的研究基础。
中科院量子信息重点实验室博士生刘赫、张庭以及博士后王柯为论文共同第一作者，中科院量子信息重点实验室李海欧特任院长和郭国平院士为论文共同通信作者。前述研究获得科技部、国家基金委、中国科大学以及广东省捐助，李海欧获得中国科学技术学院仲英青年学者项目捐助。
