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研究快讯 | 门电压可调的细直径InAs-Al纳米线超导量子比特
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EXPRESS LETTER
Gatemon Qubit Based on a Thin InAs-Al Hybrid Nanowire
Jierong Huo(霍杰荣), Zezhou Xia(夏泽洲), Zonglin Li(李宗霖), Shan Zhang(张珊), Yuqing Wang(王宇清), Dong Pan(潘东), Qichun Liu(刘其春), Yulong Liu(刘玉龙), Zhichuan Wang(王志川), Yichun Gao(高益淳), Jianhua Zhao(赵建华), Tiefu Li(李铁夫), Jianghua Ying(应江华), Runan Shang(尚汝南), and Hao Zhang(张浩)
Chin. Phys. Lett. 2023, 40 (4): 047302
DOI: 10.1088/0256-307X/40/4/047302
文章亮点
首次在细直径InAs-Al半导体-超导复合纳米线上实现了一个超导量子比特，并表征了比特寿命。为接下来用线路量子电动力学来研究和操控纳米线中的马约拉纳零能模以及拓扑量子比特奠定了技术基础。
图1：细InAs-Al纳米线超导量子比特。左：量子比特器件光镜图。超导二维谐振腔（绿）同馈线（蓝）以及比特电容（红，T形）耦合。比特电容同InAs-Al纳米线Josephson结（中上）的一个电极相连。门电极（粉）通过调节Josephson能量改变比特频率。中下：腔-比特的强耦合。右：在大失谐区域测量比特的拉比振荡，T1和T2*。
门电压可调的细直径InAs-Al纳米线超导量子比特
研究背景
超导-半导体复合纳米线在特定的参数条件下可等价于一维的Kitaev chain，有望实现马约拉纳零能模和拓扑量子计算。但现实中纳米线往往有多个子能带被占据，因此并不是严格意义上的一维电子体系。同时因为超导的存在，门电极对子能带的调控有限。一个有效的解决方案是采用更细的纳米线（直径从之前的约100 nm下降到约30 nm）。近期，马约拉纳领域的一个进展是在直径约26 nm的InAs-Al纳米线器件中实现了近量子化零偏压电导平台（PRL 129, 167702 (2022)）。而马约拉纳的确凿证据需要通过对多马约拉纳零模组成的一个拓扑量子比特进行编织操作来展示其非阿贝尔统计性质来完成。编织操作需要快速的电磁场调控（射频或微波波段），一个有效的技术手段是线路量子电动力学（cQED）。之前国际上已通过cQED技术实现了基于InAs-Al纳米线（粗直径，75-160 nm）的门电极可调的超导transmon量子比特（又称为gatemon）。但迄今为止尚未在cQED里看到可能的马约拉纳信号，主要原因可能是受限于其直径。而细直径纳米线比特器件在制备工艺上面临着不小的挑战，比如难以实现良好的欧姆接触（受限于接触面积）以及器件的脆弱性（极其容易烧线）。
内容简介
最近，清华大学物理系张浩教授指导博士生霍杰荣、夏泽洲和李宗霖以及博士后张珊和应江华（现量子科技长三角产业创新中心）等克服了以上工艺挑战，首次实现了基于细直径InAs-Al纳米线的gatemon量子比特。门电压可将比特频率调节到腔频附近，实现强耦合导致的腔-比特免交叉。进一步调节门电压可把比特频率调至大失谐区间。时域测量可得到拉比振荡。量子比特寿命的测量揭示了能量弛豫时间T1约为0.56微秒，相位退相干时间T2*约为0.38微秒。纳米线由中科院半导体所潘东、赵建华实验团队提供。
研究意义和重要性
该实验工作表明了用细直径纳米线做量子比特器件的可行性。此外，细直径可有效抑制轨道效应从而能兼容更高的磁场。这为接下来用cQED技术探测马约拉纳和实现拓扑量子比特的编织操作奠定了基础。
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