利用应变外延锗实现微米尺度低噪声自旋量子比特的规模化调控

本研究针对半导体自旋量子比特系统中异质材料堆叠导致的噪声问题，通过开发低缺陷Ge/SiGe应变量子阱，系统探究了二维空穴阵列的噪声特性。研究团队在锗衬底上实现了平均0.3(1) μeV Hz-1/2的低电荷噪声水平，并通过自旋回波测量量化了73Ge核自旋与29Si核自旋浴的相互作用，为全同位素纯化量子环境提供了关键依据。

　　

半导体量子计算的发展面临材料无序性带来的噪声挑战，特别是在规模化集成自旋量子比特时，异质材料界面缺陷和核自旋噪声严重制约量子相干性。传统硅基锗量子阱中，晶格失配导致的位错密度和二维空穴气迁移率问题尤为突出。荷兰代尔夫特理工大学的研究团队在《Nature Materials》发表的研究中，创新性地采用锗衬底外延生长应变Ge/SiGe量子阱，通过系统噪声表征揭示了低缺陷材料体系对量子比特性能的提升机制。

研究采用三项关键技术：1）基于锗衬底的Ge/SiGe异质结构外延生长，实现比硅衬底低一个数量级的位错密度；2）通过库仑峰追踪（CPT）和边缘法（flank method）测量电荷噪声功率谱密度；3）利用CPMG-N动态解耦序列解析⁷³Ge和²⁹Si核自旋对相干时间的影响。

【电荷噪声在最小量子点线性阵列中的表现】
通过原子力显微镜表征的器件结构显示，在55 nm深度的Ge量子阱中测得平均电荷噪声S₀^1/2为0.3(1) μeV Hz^-1/2（1 Hz），较硅衬底同类结构降低2倍。长达18小时的CPT实验揭示低频（10 mHz）噪声谱符合S₀/f^α规律，α=1.64(5)表明存在漂移噪声贡献。

【微米尺度二维量子点阵列的电荷噪声】
在包含10个量子点的3-4-3阵列中，四周边界传感器测得6 μeV Hz^-1/2（10 mHz）的均匀噪声水平。通过空穴占据数调控实验发现，单个量子点的电压噪声波动范围达60-90 μV Hz^-1/2，与传感器噪声相当，证实异质结构噪声的全局一致性。

【空穴自旋量子比特中的电荷与超精细噪声】
在117.5 mT磁场下，通过CPMG序列解析出噪声功率谱包含两部分：1）1/f型电荷噪声（S₀=0.17×10⁹ Hz² Hz^-1），对应12 μV Hz^-1/2的等效电压噪声；2）⁷³Ge核自旋引起的174 MHz高斯峰（S_0,hf=1.1×10⁶ Hz² Hz^-1）。理论预测显示，在10 mT弱场下电荷噪声限定的退相干时间可达44 μs。

【与²⁹Si核自旋的超精细相互作用】
CPMG-64实验在1-1.5 μs区间观测到特征性相干凹陷，其8.6(9) MHz T^-1的旋磁比证实来自SiGe势垒中²⁹Si核自旋（理论值8.465 MHz T^-1）。拟合结果显示该噪声源贡献47 kHz的积分涨落幅度，对应T₂^*=4.8 μs。

研究结论指出，锗衬底生长的Ge/SiGe异质结构将电荷噪声降低至硅衬底体系的1/3，但核自旋噪声仍是主要限制因素。通过理论建模预测，完全同位素纯化（⁷⁰Ge/²⁸Si⁷⁰Ge）可使Hahn退相干时间在10 mT弱场下提升至0.4 ms。该工作为半导体量子处理器材料优化提供了明确方向：需同步纯化量子阱和势垒层的同位素组成，并优化Ge/SiGe界面质量以抑制Si-Ge混溶效应。