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为解决半导体自旋量子比特（qubit）因自旋 - 轨道相互作用（SOI）导致的各向异性和量子比特能量非均匀性问题，研究人员对平面锗中的微波驱动单重态 - 三重态 qubit 展开研究。结果表明自旋各向异性可电调且不同磁场方向表现各异，这为可扩展量子处理器发展助力。
在量子计算蓬勃发展的当下，半导体自旋量子比特凭借诸多优势，成为构建紧凑集成量子电路的热门之选。其中，空穴自旋量子比特因其强大的固有自旋 - 轨道相互作用（SOI）脱颖而出，它无需片上微磁体就能实现快速电驱动，极大地简化了量子处理器的扩展需求，目前已经有四量子比特处理器成功展示，甚至还出现了 10 量子比特的设备。
然而，SOI 就像一把双刃剑，在带来便利的同时，也引发了一系列棘手的问题。它使得 g 张量对电场强度、限制势和异质结构应变的变化极为敏感，这直接导致每个量子点的 g 张量各不相同，进而让每个量子比特的量化轴相对于相邻量子比特发生倾斜。这种特性虽然在驱动相干自旋旋转和实现基于跳跃的通用量子逻辑方面有一定用途，但却给量子比特的性能带来了诸多挑战。比如，g 张量的可变性会影响泡利自旋阻塞（Pauli Spin Blockade）读出、能谱、驱动机制的效率以及噪声敏感性等，严重阻碍了量子处理器的进一步扩展。
为了攻克这些难题，来自奥地利科学技术研究所（Institute of Science and Technology Austria）等机构的研究人员勇挑重担，开展了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦于平面锗中的微波驱动单重态 - 三重态量子比特，深入探究自旋各向异性的奥秘。最终，他们取得了一系列令人瞩目的成果，这些成果对于推动量子计算领域的发展意义非凡，相关研究发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们精心制备了 Ge/SiGe 异质结构，并通过电子束光刻、氩铣、蒸发、刻蚀、原子层沉积等一系列微纳加工工艺，成功构建了双量子点（DQD）器件。其次，在实验测量方面，他们借助莱顿低温干式稀释制冷机，在 50 mK 的极低温环境下，利用两轴磁体施加磁场，通过射频反射计测量电荷传感器的阻抗，以此来获取量子比特的相关信息。
结果
- 面内磁场研究：研究人员在面内磁场条件下，对微波驱动的单重态 - 三重态跃迁进行了深入研究，成功观测到了包括难以捉摸的T?到T+跃迁在内的三种自旋跃迁。他们发现，这些跃迁是通过交换相互作用的调制实现的，而这一现象的产生得益于 g 张量的差异。进一步研究表明，两个自旋的量化轴不对齐角度可达45°，且这种不对齐可以通过电调实现。通过改变静电门的电压配置，他们能够有效地调整量化轴的倾斜程度，最大可实现 10 度的调整。这一发现不仅展示了该研究方案在快速表征量子比特各向异性方面的强大能力，还为通过电控制优化量子比特操作提供了可能。
- 驱动机制解析：通过对自旋跃迁随失谐和磁场变化的研究，研究人员揭示了微波驱动量子比特的机制。他们发现，交换相互作用在驱动过程中起着关键作用。微波通过调制单重态的频率，与系统发生耦合，只有与单重态混合的状态才会受到驱动影响。由于量子点之间的自旋各向异性较大，系统中所有状态之间都能发生跃迁。研究人员通过测量拉比频率（Rabi frequency），并结合光谱学参数进行建模，结果显示理论模型与实验数据高度吻合，有力地证明了交换调制是主要的驱动机制。
- 面外磁场研究：在面外磁场方向的研究中，研究人员发现两个量子比特的量化轴几乎共线，δθ≤5°，这意味着交换相互作用近乎各向同性。在这种情况下，他们实现了S?T0微波驱动量子比特，该量子比特在低磁场下就能实现计算态（(S,T0)）和非计算态（(T±)）的较大分离，有效抑制了泄漏，使得利用传统的泡利自旋阻塞进行均匀读出成为可能，同时还能保持单个量子比特的可寻址性。尽管由于自然锗中核自旋的影响，面外磁场下的退相干时间受到一定限制，但研究人员仍获得了 400 ns 的相干时间。而且，通过富集零自旋同位素的方法，有望将相干时间提高一个数量级，使其与硅基空穴量子比特相媲美。
- 退相干时间比较：研究人员对测量的自旋跃迁的非均匀退相干时间（T2?）进行了详细表征。在面内磁场中，不同跃迁的T2?随失谐的变化呈现出不同的趋势。T??S跃迁主要受电荷噪声限制，而T??T0和T??T+跃迁在低失谐时受失谐噪声主导，高失谐时则受磁涨落影响。在面外磁场中，退相干时间同样在低失谐时受失谐噪声限制，高失谐时受磁噪声限制，但整体能达到约 400 ns，且不受磁场强度的影响。
研究结论和讨论
该研究全面地对两个空穴自旋进行了表征，成功展示了平面锗异质结构中完全可操作的微波驱动单重态 - 三重态量子比特。研究人员开发的交流驱动方法巧妙地克服了非正交控制轴的问题，这一问题曾严重限制了替代基带脉冲单重态 - 三重态架构的发展。同时，MHz 频段的低频驱动使得量子比特对微波串扰的敏感度大大降低，有效解决了 GHz 范围 Loss - DiVincenzo 量子比特编码中常见的关键问题。
此外，研究人员还开发了一种通用的简单协议，该协议适用于各种几何结构和材料，能够利用光谱方法在固定磁场方向下高效地确定所有相关参数，包括量化轴的倾斜度、预测拉比频率，并根据外部磁场方向确定不同的状态。这一协议不仅深入揭示了空穴自旋的基本物理原理，还为量子比特的操作提供了极具价值的信息。
在面内磁场条件下，较大的自旋 - 轨道相互作用导致两个自旋的量化轴倾斜，从而获得了较长的T2?和更快的交流驱动速度。这使得研究人员能够探测不同状态之间的所有可能跃迁，并产生高达45°的大交换各向异性。而且，这种各向异性可以通过电调实现，为优化量子比特操作提供了新的途径。通过控制量子点的形状来优化δg⊥，例如借助机器学习算法，有望实现 ST 量子比特之间的泄漏保护双量子比特门，以及提高 Loss - DiVincenzo 量子比特之间双量子比特门的保真度。
在面外磁场条件下，两个量子点之间的量化轴更加均匀，几乎呈各向同性的交换相互作用。这种特性使得在低磁场下就能实现计算态和非计算态的较大分离，有效抑制了泄漏，保证了均匀读出和单个量子比特的可寻址性。尽管自然锗中的超精细噪声限制了退相干时间，但通过同位素富集的方法，未来有望显著提高相干时间。这些特性与交流驱动技术相结合，为基于 ST 的量子处理器的扩展提供了关键要素。
总的来说，这项研究成果为解决半导体自旋量子比特面临的关键问题提供了重要的思路和方法，为实现可扩展的量子计算奠定了坚实的基础，在量子计算领域具有里程碑式的重要意义。
