基于隔离CMOS量子点阵列与门控多重读出的单电子自旋调控技术

本研究针对半导体量子点阵列中电荷配置复杂性和传统电荷传感器灵敏度不足的挑战，创新性地结合隔离式量子点阵列加载技术与门控反射测量技术，实现了2×2阵列中单电子自旋的精确调控与读取。通过频率复用和虚拟门技术简化了大规模阵列的静电调谐，并首次在隔离阵列中完成单电子自旋的分散式单次读取（保真度95%），为可扩展的自旋量子计算架构提供了新范式。

　　

半导体量子点阵列被视为实现大规模容错量子计算的有力候选者，但传统开放阵列中电荷配置的指数级增长与电荷传感器的空间限制，使得单电子自旋调控成为瓶颈。尤其当阵列规模扩展至2×2或更大时，静电串扰和读串扰问题会显著降低操作保真度。

法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）联合格勒诺布尔阿尔卑斯大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果。研究人员提出"隔离加载+多重读出"的创新方案：通过快速脉冲门控技术将有限电子数载入CMOS工艺制备的量子点阵列后立即隔离，结合频率复用反射测量（f₁=1.2 GHz/f₂=0.8 GHz）实现无电荷传感器的分散式探测。该工作首次在300mm硅晶圆制备的2×2阵列中，同步完成单电子占据确认、自旋态磁谱解析和单次自旋读取三重突破。

关键技术包括：1）深紫外与电子束光刻制备40nm间距TiN/多晶硅栅极结构；2）LC谐振电路量子电容谱测量；3）虚拟门矩阵解耦静电串扰；4）脉冲序列初始化S-T_-态；5）射频反射测量单次读取（50μs积分时间）。

负载与读取双量子点
通过I_LT门脉冲实现电子动态隔离，在T1-B1双量子点中观测到清晰的层间电荷跃迁（ICT）信号。当V_load=200mV时，量子电容响应显示4个电子被稳定囚禁。

隔离三量子点调控
在T1-T2-B1三角构型中，通过虚拟门实现ε_x=V_T1-V_T2和ε_y=V_T1-V_B1解耦调控。3电子(1,1,1)态下，交换相互作用J=150MHz的S-T_-反交叉特征被磁谱证实。

2×2阵列多重读出
采用ε_x=(V_T1+V_T2)-(V_B1+V_B2)和ε_y=V_T1-V_B1+V_T2-V_B2定义正交轴，频率复用技术成功区分(2,2,0,0)→(1,1,1,1)的列间与行间跃迁。

自旋态磁谱验证
在B=0.5T磁场下，(2,0)-(1,1)跃迁处观测到特征性自旋漏斗效应，左/右列隧穿耦合分别为40μeV/200μeV，证实单电子占据。

分散式单次自旋读取
在(2,1,0,1)-(1,1,1,1)跃迁处实现98%电荷读取保真度，考虑T₁=1.5ms弛豫后仍保持95%自旋态区分能力。交换振荡实验揭示J与ε的指数依赖关系。

该研究建立了隔离阵列与门控读出的技术范式：1）通过几何限定电子数规避开放阵列的指数复杂度；2）频率复用技术实现4量子点协同探测；3）CMOS兼容工艺支持晶圆级扩展。尽管当前T2谐振器信噪比有待提升，但采用超导 kinetic inductance 电感可将电路面积缩小100倍。这项技术可推广至SiGe异质结构等平台，为千比特级自旋量子处理器奠定基础。