2024年1月15日下午，量子科学与工程研究院党委在国际量子研究院518报告厅成功举办了第57期卓粤量子沙龙活动。本次沙龙邀请了荷兰代尔夫特理工大学Yuta Matsumoto博士为研究院师生带来题为“High-fidelity spin shuttling in silicon”的报告。本次沙龙由贺煜研究员主持。




硅基自旋量子比特是实现量子计算的技术路线之一，具有长相干时间(ms)、比特的加工工艺与传统互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)加工工艺相兼容等诸多优势。当前，硅基自旋量子比特方向在单比特门、两比特门、量子态读出以及比特数目等层面均有飞跃性突破。就大规模扩展而言，随着量子比特数目的增加，器件中控制电极的扇出(Fan out)问题已经成为亟待解决的问题。为此，研究人员提出了模块化量子计算方案，即将整个量子计算系统划分为相互独立的模块或子系统，每个模块负责执行特定的计算任务。然而，如何实现两个独立模块(子量子处理器)之间的连接起来是一项很有挑战的任务。


模块化硅基自旋量子处理器示意图[1]



Yuta Matsumoto博士为我们带来了一种解决思路——自旋梭动(Spin shuttling)，该方案旨在通过相干自旋穿梭来构造两个长程量子比特之间的纠缠，进而实现两比特门。在本次报告中，Yuta Matsumoto博士首先对基于门电极定义的量子点中自旋梭动的前沿进展做了很好的综述。



随后，Yuta Matsumoto博士着重介绍其所在研究小组近期的研究成果，讲述了单个电子自旋如何在一个含有6个隧道耦合量子点(基于28Si/SiGe异质结构)的线性阵列中进行穿梭，进而创建高保真度的量子连接的故事。在报告中，Yuta Matsumoto博士分享了两种连接方式，第一种是通过顺序脉冲每个量子点的电化学势和点间隧道势垒，电子可以在阵列中以桶式传送模式(Bucket-brigade)进行穿梭。第二种是通过对所有栅极施加正弦电压信号以创建行波势能，称为传送带模式（Conveyor-mode）。同时，研究小组对两种模式下的电子梭动进行了基准测试。该技术展示了实现远距离硅量子处理器之间高保真度量子链接的可行途径，是实现大规模量子计算的关键要求。



Yuta Matsumoto博士的报告十分精彩，生动形象地讲述了团队在自旋梭动方向上的研究成果，将该研究领域的最前沿分享给了研究院的师生们。在自由讨论环节，研究院师生也同Yuta Matsumoto博士进行的广泛、深入的讨论，大家受益匪浅。


[1] Vandersypen L M K , Bluhm H , Clarke J S ,et al.Interfacing spin qubits in quantum dots and donors—hot, dense, and coherent[J].npj Quantum Information, 2017, 3(1)