硅和鍺量子計算材料研究進展*

張結印 高飛 張建軍

(中國科學院物理研究所,納米物理與器件重點實驗室,北京 100190)

半導體量子點量子計算是實現固態量子計算的重要途徑之一,高質量量子計算材料制備是其中的關鍵.硅和鍺材料能夠實現無核自旋的同位素純化,滿足量子比特對長退相干時間的要求,同時與當前的硅工藝兼容,是實現半導體量子計算的重要材料平臺.本文首先概述了近年來半導體量子點量子計算領域取得的重要進展,然后詳細介紹了硅基硅/硅鍺異質結、鍺/硅鍺異質結以及鍺/硅一維線的制備方法、材料性質以及相應量子器件的研究進展,最后對需要解決的關鍵技術問題以及未來的發展方向進行了展望.

1 引言

1982 年,物理學家理查德·費曼首次提出了量子計算的概念,經過近40 年的發展,科學家們已經提出了多種可能實現量子計算的物理體系,包括半導體量子點[1]、超導約瑟夫森結[2]、拓撲超導[3]、離子阱[4]以及核磁共振[5]等.其中基于半導體量子點的量子計算因為具有與硅半導體集成電路工藝兼容的優勢而備受關注.一方面,與硅工藝兼容使得它易于大規模集成,在產業化階段具有易移植和可擴展的優勢;另一方面,在可大規模生產的全固態、芯片化的量子計算方案中,半導體量子點量子計算的各個方面均可滿足Loss 和DiVicenzo[6]提出的實現量子計算的物理系統需要滿足的5 個重要條件,且能在相對較高的溫度下工作.因此,半導體量子點被認為……