硅和锗量子计算材料研究进展*

张结印 高飞 张建军

(中国科学院物理研究所,纳米物理与器件重点实验室,北京 100190)

半导体量子点量子计算是实现固态量子计算的重要途径之一,高质量量子计算材料制备是其中的关键.硅和锗材料能够实现无核自旋的同位素纯化,满足量子比特对长退相干时间的要求,同时与当前的硅工艺兼容,是实现半导体量子计算的重要材料平台.本文首先概述了近年来半导体量子点量子计算领域取得的重要进展,然后详细介绍了硅基硅/硅锗异质结、锗/硅锗异质结以及锗/硅一维线的制备方法、材料性质以及相应量子器件的研究进展,最后对需要解决的关键技术问题以及未来的发展方向进行了展望.

1 引言

1982 年,物理学家理查德·费曼首次提出了量子计算的概念,经过近40 年的发展,科学家们已经提出了多种可能实现量子计算的物理体系,包括半导体量子点[1]、超导约瑟夫森结[2]、拓扑超导[3]、离子阱[4]以及核磁共振[5]等.其中基于半导体量子点的量子计算因为具有与硅半导体集成电路工艺兼容的优势而备受关注.一方面,与硅工艺兼容使得它易于大规模集成,在产业化阶段具有易移植和可扩展的优势;另一方面,在可大规模生产的全固态、芯片化的量子计算方案中,半导体量子点量子计算的各个方面均可满足Loss 和DiVicenzo[6]提出的实现量子计算的物理系统需要满足的5 个重要条件,且能在相对较高的温度下工作.因此,半导体量子点被认为……