Silicon quantum processor unit cell operation above one Kelvin
预计量子计算机在一系列重要问题上的表现将优于传统计算机，从分子模拟到搜索算法，一旦它们可以扩展到大量的量子比特（qubit），通常是数百万。对于大多数固态量子比特技术，例如使用超导电路或半导体自旋的技术，缩放构成了一个重大挑战，因为每增加一个量子比特都会增加产生的热量，而稀释制冷机的冷却能力在其工作温度低于100 mK时受到严重限制。在这里，我们展示了一个可扩展的硅量子处理器单元格的操作，包括两个量子位限制在量子点（QD）在$\sim$ 1.5开尔文。我们通过将量子点与电子库隔离，仅通过两个量子点之间的电子隧穿初始化和读取量子位来实现这一点。我们相干控制的量子位使用电驱动自旋共振（EDSR）同位素富集硅$^{28}$ Si，达到98.6%的单量子位门的结晶度和相干时间$T_2^*$ = 2 $μ$ s在“热”操作，相当于自然硅中的自旋量子位在毫开尔文温度。此外，我们表明，单位细胞可以操作在低至0.1 T的磁场，对应于3.5 GHz的量子比特控制频率，其中量子比特能量远低于热能。单位单元构成了全尺寸硅量子计算机的核心构建块，并满足纠错架构所需的布局约束。我们的工作表明，基于自旋的量子计算机可以在简单的泵浦$^4$ He系统中在高温下运行，提供比稀释制冷机高几个数量级的冷却功率，可能使经典的控制电子器件与量子位阵列集成。
2019-06-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
An 11-qubit atom processor in silicon
本文展示了一个由两个多核自旋寄存器通过电子交换耦合的11量子比特硅基原子处理器，实现了99.5%至99.99%的门保真度和超99%的贝尔态保真度，为容错量子计算奠定基础。
2025-06-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Grover's algorithm in a four-qubit silicon processor above the fault-tolerant threshold
研究使用四比特硅处理器实现所有操作均超容错阈值，通过演示找到标记状态概率约95%的 Grover 算法，并实现96.2%保真度的三比特GHZ态，为大规模容错量子处理器奠定基础。
2025-03-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon
核自旋是最早被考虑用于量子信息处理的物理平台之一，因为它们具有特殊的量子相干性和原子尺度的足迹。然而，它们用于量子计算的全部潜力尚未实现，这是由于缺乏将可扩展设备内的核量子位与具有足够保真度的多量子位操作相结合以维持容错量子计算的方法。在这里，我们展示了通用的量子逻辑操作使用一对离子注入的31 P施主核在硅纳米电子器件。通过对共享自旋的电子施加一个几何相位，得到了一个核双量子比特控制Z门，并利用它制备了纠缠态的Bell态，量子效率达到94.2（2.7）%.量子操作使用门集层析成像（GST）精确表征，产生高达99.95（2）%的单量子位平均门保真度，99.37（11）%的双量子位平均门保真度和98.95（4）%的双量子位制备/测量保真度。这三个指标表明，硅中的核自旋正在接近容错量子处理器所需的性能。然后，我们通过产生具有92.5（1.0%）保真度的Greenberger-Horne-Zeilinger三量子比特态来证明两个核和共享电子之间的纠缠。由于半导体中的电子自旋量子比特可以进一步耦合到其他电子或物理穿梭于不同的位置，这些结果为使用施主核和电子自旋的可扩展量子信息处理建立了可行的路线。
2022-01-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Silicon CMOS architecture for a spin-based quantum computer
用于容错量子计算的量子纠错（QEC）码\cite{Terhal2015}和在广泛的平台\cite{Kok2007, Brown2011, Barends2014, Waldherr2014, Dolde2014, Muhonen2014, Veldhorst2014}中高保真量子比特的物理实现的最新进展为基于数百万个相互作用的量子比特的量子计算机的构建提供了希望。然而，经典量子界面仍然是一个新兴的探索领域。在这里，我们提出了一种完全基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的硅基量子计算机处理器架构，这是所有现代处理器芯片的基础。我们展示了一个基于晶体管的控制电路和电荷存储电极如何用于操作一个密集的、可扩展的二维量子比特系统。量子位由限制在量子点中的单个电子的自旋状态定义，通过交换相互作用耦合，使用微波腔控制，并通过基于门的色散读出\cite{Colless2013}测量。该系统完全基于现有技术和现有组件，与通用表面码量子纠错\cite{Terhal2015}兼容，实现了大规模通用量子计算。
2016-09-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Strong Coupling of a Single Electron in Silicon to a Microwave Photon
由于硅的高质量原生氧化物和成熟的掺杂技术，硅对计算行业至关重要。同位素纯化已经使量子相干性时间达到秒级，从而使硅处于创造固态量子处理器的最前沿。我们证明了硅双量子点中的单电子与微波腔中的光子场的强耦合，正如真空拉比分裂的观察所示。量子点电子与腔光子的强耦合将允许半导体量子点中电子的长程量子位耦合和长程纠缠。
2017-03-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Silicon edge-dot architecture for quantum computing with global control and integrated trimming
提出了一种基于硅金属氧化物半导体技术的可扩展的量子信息处理架构，结合了来自平面和3D绝缘体上硅技术的量子硬件元件。这种架构是在“单位单元”的方法，其中平铺细胞在两个维度，并允许细胞间最近邻的相互作用，使架构与容错量子计算的表面码兼容。该架构利用全局控制方法，大大降低了处理器的复杂性：单量子位控制是使用全局应用的自旋共振技术实现的，两个量子位的相互作用是由大量子点介导的。此外，通过集成用于量子点电压参考的单独微调的电子器件，提出了对器件变化的解决方案。这样一组组合的解决方案解决了在完全基于硅的架构中扩展量子机器的几个主要障碍。
2022-08-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Gate-based single-shot readout of spins in silicon
硅量子点中的电子自旋为实现有用的量子处理器所需的大量耦合量子位提供了一条有希望的途径。目前，所需的单次自旋量子位测量是使用芯片上的电荷传感器进行的，电容器耦合到量子点。然而，随着量子比特数量的增加，这种方法变得不切实际，这是由于电荷传感器的占地面积和复杂性，以及与量子点的所需接近度。或者，自旋状态可以通过检测量子点之间的自旋相关电子隧穿的复阻抗来直接测量。这可以通过在限定量子点本身的单个栅电极上使用射频反射测量来实现，从而显著地减少门计数和架构复杂性，但是迄今为止还不可能使用该技术来实现单次自旋读出。在这里，我们检测到单电子隧穿的双量子点，并证明基于栅极的传感可以用来读出电子自旋状态在一个Single Shot，平均读出保真度为73%。结果表明，使用大型半导体量子处理器所需的紧凑型门设计，并行读出许多自旋量子位的关键一步。
2018-10-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Digital-Controlled Method of Conveyor-Belt Spin Shuttling in Silicon for Large-Scale Quantum Computation
本研究提出一种数字控制的传送带旋转变换方法，用于硅基量子计算，通过减少布线和功耗实现高保真度的量子纠错
2025-11-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hybrid integration of silicon photonic devices on lithium niobate for optomechanical wavelength conversion
量子信息处理器的快速发展加速了对实现量子网络的技术的需求。一种很有前途的方法是使用机械谐振器作为微波场和光场之间的媒介。来自超导、拓扑或自旋量子比特处理器的信号可以相干地转换为电信波长的光学状态。然而，由均匀结构构建的当前器件遭受增加的噪声和小的转换效率。将不同材料的有利特性结合到异质设计中应该允许优越的量子转换设备-到目前为止，这些混合方法受到复杂制造过程的阻碍。在这里，我们提出了一种新的集成方法的基础上，以前的拾取和放置的想法，可以将独立制造的不同材料的器件组件到一个单一的设备。该方法允许在工艺期间通过连续光学监测进行精确对准。使用我们的方法，我们组装了一个混合硅锂晶体管设备与国家的最先进的波长转换特性。
2021-01-18 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Assessment of error variation in high-fidelity two-qubit gates in silicon
研究硅SiMOS量子点平台双比特门误差的物理起源，通过三种表征方法测得96.8%至99.8%的纠缠门保真度，为可扩展高保真控制提供指导。
2024-03-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fast high-fidelity single-shot readout of spins in silicon using a single-electron box
量子处理器中读出系统的三个关键指标是测量速度、保真度和占用空间。快速高保真读出实现了中间电路测量，这是许多动态算法和量子纠错的必要功能，而小尺寸有助于设计可扩展的高度连接架构，并提高计算性能。在这里，我们提出了两个互补的演示，使用紧凑的，分散的电荷传感器：一个射频单电子盒的快速高保真单次读出硅量子点中的自旋。该传感器尽管需要比传统探测器更少的电极，但在不到6 $μ$ s的时间内实现了99.2%的自旋读出保真度。我们证明，低损耗高阻抗谐振器，高度耦合到感测点，结合约瑟夫森参量放大有助于实现最佳性能。我们量化泡利自旋封锁的好处自旋相关的隧穿到水库，作为这些读出方案中的自旋-电荷转换机制。我们的研究结果将分散电荷传感置于可扩展半导体自旋量子处理器读出方法的最前沿。
2022-03-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Running a six-qubit quantum circuit on a silicon spin qubit array
QuTech and Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学奎克研究所与纳米科学卡弗里研究所）
本研究在硅旋轨量子比特阵列上实现了六量子比特量子电路，展示了多量子比特操作的可行性，并揭示了误差积累问题，强调了提升系统性能的必要性。
2025-05-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Integrated multiplexed microwave readout of silicon quantum dots in a cryogenic CMOS chip
固态量子计算机需要经典电子学来控制和读出单个量子比特，并实现快速经典数据处理[1-3]。在固态量子处理器运行最佳的深低温下集成两个子系统[4]，可以解决一些主要的扩展挑战，例如系统大小和输入/输出（I/O）数据管理[5]。硅量子点（QD）中的自旋量子位可以使用超大规模集成（VLSI）与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件单片集成，从而利用半导体行业的广泛制造经验[6]。然而，在mK温度下使用工业CMOS进行集成的实验演示仍处于起步阶段。在这里，我们提出了一个使用工业CMOS技术制造的低温集成电路（IC），它包含硅基量子处理器的三个关键成分：QD阵列（在这里以非交互式3x 3配置排列），数字电子器件，以最大限度地减少使用行列寻址的控制线和用于多路复用读出的模拟LC谐振器，所有这些都在50 mK下工作。与微波谐振器（6-8 GHz范围），我们显示分散读出的量子点的电荷状态，并执行组合的时域和频域复用，实现可扩展的读出，同时减少整体芯片的足迹。这种模块化架构探讨了使用工业CMOS技术实现集成量子和经典电子学的大规模硅量子计算机的限制。
2021-01-20 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Weight-four parity checks with silicon spin qubits
QuTech and Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学量子技术与开利纳米科学研究所）；Netherlands Organization for Applied Scientific Research (TNO)（荷兰应用科学研究组织（TNO））
该研究展示了一种硅自旋量子比特设备，通过四重奇偶校验实现五量子比特GHZ态的纠缠，为量子纠错实验提供新途径。
2026-01-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits
最有前途的量子算法在针对实际应用时需要托管数百万量子比特的量子处理器。大规模量子计算的一个主要挑战是互连复杂性。在当前的固态量子比特实现中，稀释制冷机中的量子芯片和室温电子器件之间出现了一个主要瓶颈。先进的光刻技术支持在硅中制造CMOS控制电子器件和量子位。当电子器件被设计成在低温下工作时，它最终可以与量子位集成在同一个芯片或封装上，克服布线瓶颈。在这里，我们报告了一个低温CMOS控制芯片工作在3 K，输出量身定制的微波爆发驱动硅量子位冷却到20 mK。我们首先对控制芯片进行基准测试，并发现电气性能与99.99%保真度量子位操作一致，假设理想的量子位。接下来，我们用它来相干控制实际的硅自旋量子比特，发现低温控制芯片达到了与商业仪器相同的保真度。此外，我们通过在双量子位量子处理器上编程一些基准测试协议以及Deutsch-Josza算法来突出控制芯片的广泛功能。这些结果为完全集成、可扩展的硅基量子计算机开辟了道路。
2020-09-29 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
A CMOS silicon spin qubit
硅是微处理器芯片的主要组成部分，正成为实现未来量子处理器的一种有前途的材料。利用其成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术将是开发可扩展量子计算架构及其与经典控制硬件协同集成的明显资产。在这里，我们报告了一个硅量子位（量子位）设备与行业标准的制造工艺。该器件由一个双栅，p型晶体管与未掺杂的沟道。在低温下，第一栅极限定编码空穴自旋量子位的量子点（QD），第二栅极限定用于量子位读出的QD。自旋量子位的所有电双轴控制是通过对第一门施加相位可调微波调制来实现的。我们的研究结果开辟了一条可行的途径，通过一个易于开发的CMOS平台量子位放大。
2016-05-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent spin qubit transport in silicon
容错量子处理器可以使用仅与它们最近的邻居相互作用的静止量子比特来配置，但是以每个逻辑量子比特的物理量子比特的显著开销为代价。这种开销可以通过在芯片上相干地传输量子比特来减少，从而允许直接相邻的连接。在这里，我们展示了在同位素富集的硅中的量子点之间的电子自旋量子比特的高保真相干传输。我们观察了量子位的进动在网站间隧道制度和评估的影响，量子位输运使用拉姆齐干涉术和量子态层析技术。我们报告了99.97%的偏振传输保真度和99.4%的平均相干传输保真度。我们的研究结果提供了高保真度的关键要素，芯片上的量子信息分布，长期设想，加强硅基自旋量子比特的缩放前景。
2020-09-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hyperbolic Quantum Processor
本文提出利用双曲材料中的极化激元波介导量子比特相互作用，实现超99%保真度的长距离纠缠，无需稀释制冷，集成密度超10^8量子比特/平方厘米。
2024-12-18 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Integer quantum Hall effect on a six valley hydrogen-passivated silicon (111) surface
本文报道了在氢钝化的Si（111）表面与真空界面处的反型层中形成的二维电子系统的磁输运研究。在整数量子霍尔制度的测量表明，这些表面的预期六倍谷简并被打破，导致在不平等的占领的六个山谷和各向异性的电阻。我们假设Si表面的取向错误将谷态打破为三个不等间隔的对，但是奇数填充因子的观察很难与非相互作用电子理论相一致。
2007-05-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Full configuration interaction simulations of exchange-coupled donors in silicon using multi-valley effective mass theory
硅中施主自旋的相干时间和单量子比特门的量子效率都达到了创纪录的水平。开发的下一阶段涉及展示高保真双量子位逻辑门，其中最自然的耦合是交换相互作用。为了帮助可扩展的基于施主的量子处理器的有效设计，我们使用多谷有效质量理论中的全组态相互作用方法来建模双电子波函数。我们利用我们的代码的高计算效率，调查交换相互作用，谷人口，和电子密度为两个磷施主在广泛的晶格位置，方向，并作为一个功能的应用电场。结果通过交互式图像可视化，其中可以扫描供体位置，同时观察谷和轨道组件相应地演变。我们的研究结果提供了一个物理上直观和定量准确的理解的位置和调谐标准，以实现高保真度的两个量子位门与硅中的施主。
2020-12-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Donor spins in silicon for quantum technologies
掺杂原子在半导体技术中无处不在，提供了支持现代数字信息时代的定制电子特性。利用这些原子尺度物体的量子性质代表了一场令人兴奋的新技术革命。在这篇文章中，我们描述了在硅中使用离子注入施主自旋量子技术。我们回顾了如何在硅中制造和操作单原子自旋量子比特，获得一些最相干的固态量子比特，并讨论了扩大这些量子比特以构建大型量子处理器的途径。具有大核自旋的较重的V族供体显示电四极耦合，使得能够实现核电共振、量子混沌和应变传感。施主系综可以耦合到微波腔，以开发混合量子图灵机。单施主的计数、确定性注入，结合精确放置的新方法，将允许将单个施主自旋与行业标准的硅制造工艺相结合，使注入施主成为第二次量子革命的主要物理平台。
2020-09-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Automatic tuning of a donor in a silicon quantum device using machine learning
本文提出首个机器学习算法，可自动定位硅器件中离子注入施主的电荷跃迁、调谐单发电荷读出并识别对称隧穿栅压，实现数分钟级自动调谐，速度超越人类专家。
2025-11-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Exchange-Only Spin-Orbit Qubits in Silicon and Germanium
QuTech, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学 QuTech）
本文提出了一种基于自旋轨道相互作用的仅交换量子比特，通过两个退化态实现低泄漏两量子比特门，克服了传统方法的局限性。
2024-10-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin filling and orbital structure of the first six holes in a silicon metal-oxide-semiconductor quantum dot
半导体量子点中电子的自旋态为量子计算提供了一个很有前途的平台。最近对硅CMOS量子位的研究表明，电子自旋态的相干操纵具有极高保真度。然而，单电子自旋的操纵需要在芯片上产生大的振荡磁场，使得当按比例放大到多量子位器件时难以寻址单个量子位。自旋-轨道相互作用使得自旋状态可以用电场控制，电场局部作用并且更容易产生。虽然硅中的电子的自旋-轨道相互作用较弱，但价带空穴具有固有的强自旋-轨道相互作用。然而，在一个适合放大到大量量子比特的架构中，创造一个可以定位单个空穴的硅量子点是一个挑战。在这里，我们报告了一个硅量子点，与集成的电荷传感器，可以操作到最后一个孔。我们绘制了前六个空穴的自旋态和轨道结构，并表明它们遵循Fock-Darwin谱。我们还发现，空穴-空穴相互作用是非常强的，减少了90%的单重态-三重态分裂相比，单粒子的水平间距为3.5毫电子伏。这些结果为在平面硅CMOS结构中实现单空穴自旋量子比特提供了一条途径。
2018-01-14 cond-mat.mes-hall
Devitalizing noise-driven instability of entangling logic in silicon devices with bias controls
硅中的量子比特（qubit）的质量非常容易受到电荷噪声的影响，电荷噪声在半导体器件中无处不在，并且原则上难以抑制。对于一个实际尺寸的量子点系统的基础上的硅锗异质结构，其限制是操纵与施加在顶部电极上的电偏压，我们计算探讨的噪声鲁棒性的2量子比特纠缠操作的重点是控制X（CNOT）逻辑，这是必不可少的门为基础的通用量子逻辑电路的设计。与器件模拟的基础上增强与电子结构计算的物理体半导体，我们不仅量化的退化的保真度的单步CNOT操作相对于电荷噪声的强度，但也讨论了一种策略的设备工程，可以显着提高噪声鲁棒性的CNOT操作，几乎没有牺牲的速度相比，单步的情况下。这项工作提出的设备设计和控制的细节可以为使用电极驱动的量子点平台保护硅基量子处理器的潜在努力建立一个罕见但实用的指南。
2022-03-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Light-Hole Quantum Well on Silicon
固态器件中空穴的安静量子环境一直是量子处理器和存储器日益可靠的架构的核心。1 -6然而，由于缺乏可扩展的材料来适当地定制价带特性及其能量偏移，光洞（LH）态的精确工程仍然是实现相干光子的严重障碍，将光子飞行量子比特中编码的量子信息直接映射到静止自旋处理器所需的自旋界面4 -9在此，为了缓解这一长期存在的限制，我们证明了一个所有组IV低-三维系统由生长在硅上的高拉伸应变锗量子阱组成，允许新的自由度来控制和操纵空穴状态。晶片级，高双各向同性面内拉伸应变（$>1\%$）实现使用应变工程，亚稳态锗-锡合金缓冲层产生量子阱与LH基态，高$g$因子各向异性，和一个可调分裂的空穴子带。外延异质结构显示尖锐的界面与亚纳米加宽，并显示室温激子跃迁调制和扩展到中波红外线通过控制应变和厚度。这种设计具有LH选择性限制和可控光学响应的量子结构的能力使得与集成量子通信和传感技术相关的可制造硅兼容平台成为可能。
2022-01-03 cond-mat.mes-hall
High-fidelity single-spin shuttling in silicon
针对半导体自旋量子比特长距离高保真输运待突破的问题，研究团队在Si/SiGe异质结构中用行波电势移动量子点输运电子，实现200ns内10μm、99.5%保真度的单自旋输运，为大规模半导体量子处理器构建提供支撑。
2025-06-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Two-qubit logic and teleportation with mobile spin qubits in silicon
本研究在硅基半导体器件中实现移动电子自旋的双量子比特操作（保真度约99%）与条件后选择量子态隐形传态（保真度87%），验证了移动自旋量子比特用于非局域量子信息处理的潜力。
2025-03-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Exchange in silicon-based quantum computer architecture
硅基量子计算机的提议是过去三年来人们强烈追求的想法之一。在这里，我们计算了硅和锗中的施主电子交换，并证明了Si（和Ge）中量子计算的原子尺度挑战，因为Si（Ge）中的六（4）个导带最小值导致谷间电子干扰，在双施主双电子态的交换分裂中产生强烈的振荡。因此，在单元格内以原子尺度精度定位供体成为决定交换耦合强度的决定性因素-这是硅基量子计算机中双量子位操作的基本成分。
2002-02-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Indistinguishable photons from an artificial atom in silicon photonics
针对硅基量子光子技术缺乏确定性量子光源的 scalability 挑战，本研究基于硅波导中的G中心人工原子实现了高纯度电信波段不可区分单光子源，为光子量子网络和处理器提供了相干光源方案。
2022-11-17 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Uniform Spin Qubit Devices in an All-Silicon 300 mm Integrated Process
更大的电子自旋量子比特阵列需要在制造和器件均匀性方面进行根本性的改进。在这里，我们展示了从300K到mK温度的出色量子位器件均匀性和可调谐性。这是第一次通过在“全硅”和光刻灵活的300 mm流程中集成重叠的多晶硅基栅极堆叠来实现的。低无序Si/SiOPDMATHABMM被证明由$1.5 \cdot 10^4$ $cm^2$/Vs的10K霍尔迁移率。良好控制的传感器具有低的电荷噪声（3.6 $μ$ eV/$\sqrt{\mathrm{Hz}}$在1 Hz）用于电荷传感到最后的electron.We表现出优异的和可重复的interdot耦合控制近2decades（2 - 100 GHz）。我们展示了自旋操纵和单次自旋读出，提取约150 $μ$ eV的谷分裂能量。这些低无序、均匀的量子位器件和300 mm晶圆厂集成为快速扩展到大型量子处理器铺平了道路。
2021-08-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Control of dephasing in spin qubits during coherent transport in silicon
本文从理论上研究了硅中自旋量子比特相干传输的误差来源，分析了隧穿耦合、磁场和自旋轨道效应的影响，识别了应避免的增强退相干区域，为大规模量子处理器设计提供指导。
2023-02-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Conditional quantum operation of two exchange-coupled single-donor spin qubits in a MOS-compatible silicon device
硅纳米电子器件可以承载单量子位量子逻辑运算，保真度优于99.9%。对于通过离子注入引入硅中的与单个施主原子结合的电子的自旋，量子信息可以存储近1秒。然而，用这种方法制造可扩展的量子处理器被认为是具有挑战性的，因为介导量子位之间耦合的交换相互作用的指数灵敏度。在这里，我们证明了有条件的，相干控制的电子自旋量子位在交换耦合对$^{31}$ P施主注入硅。耦合强度，$J = 32.06 \pm 0.06$ MHz，测量光谱与前所未有的精度。由于耦合弱于使两个电子失谐的电子-核超精细耦合$A \approx 90$ MHz，因此可以通过简单的电子自旋共振脉冲获得原生双量子比特受控旋转门。该方案对$J$的精确值不敏感，这使得它适用于硅中基于供体的量子计算机的放大，该硅利用经典电子工业中常用的金属氧化物半导体制造协议。
2020-06-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent transfer of quantum information in silicon using resonant SWAP gates
基于硅量子点自旋的固态量子处理器正在成为量子信息处理的强大平台。高保真度的单量子位和双量子位门最近已经被证明，大型可扩展量子位阵列现在被常规制造。然而，双量子比特门是通过最近邻交换相互作用介导的，这需要直接波函数重叠。这限制了这些设备的整体连接性，并且是实现纠错、量子随机存取存储器和多量子比特量子算法的主要障碍。为了扩展连接性，量子比特可以使用量子SWAP门在设备周围穿梭，但相位相干SWAP尚未在硅设备中实现。在这里，我们展示了一种新的单步谐振SWAP门。我们首先使用门来有效地初始化和读出我们的双量子点。然后，我们表明，门可以移动自旋本征态在100 ns的平均保真度$\bar{F}_{SWAP}^p$ = 98%。最后，任意两个量子比特的产品状态的转移基准使用状态断层扫描和Clifford随机基准，产生的平均保真度为$\bar{F}_{SWAP}^c$ = 84%的门操作时间为~300 ns。通过相干自旋输运，我们的共振SWAP门实现了非相邻量子比特的耦合，从而为使用硅自旋量子比特的大规模实验铺平了道路。
2019-06-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Computational Assessment of Silicon Quantum Gate Based on Detuning Mechanism for Quantum Computing
硅基量子计算具有低成本、高集成度和与CMOS技术兼容等潜在优势。失谐机制已被用于实验实现硅双量子位量子门和可编程量子处理器。本文通过对基于失谐机制的硅量子门模型的数值模拟，研究了量子门的标度行为和可变性问题。研究了量子门调制的器件物理特性、器件速度和量子保真度之间的权衡以及可变性对量子算法实现的影响。结果表明，在低工作电压下实现高速、保真度的硅量子门是一个很有吸引力的研究方向。为了扩大规模，降低器件的可变性和减轻可变性效应被认为是不可缺少的，以可靠地实现基于失谐机制的硅量子门的量子计算算法。提出了一种利用控制电子学来减轻量子门可变性的方案。
2019-05-29 cond-mat.mes-hall
Multiplexed color centers in a silicon photonic cavity array
研究开发了一种由总线耦合腔阵列组成的硅光子平台，实现了对腔增强T中心阵列的频率多复用操作，为高效片上和长距离纠缠分发提供了可扩展方案。
2025-01-28 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Gate-reflectometry dispersive readout and coherent control of a spin qubit in silicon
硅自旋量子比特已经成为大规模量子处理器的一条有前途的道路。在这种前景下，涉及最小设备开销的可扩展量子位读出方案的开发是引人注目的一步。在这里，我们报告的实施栅耦合射频反射色散读出一个功能齐全的自旋量子位器件。我们使用的是采用行业标准硅技术制造的p型双栅极晶体管。第一个门限制了一个编码自旋量子位的孔量子点，第二个门限制了一个能够读出的辅助点。量子比特状态是通过集总元件谐振器对自旋选择性点间隧穿的相位响应来测量的。演示的量子位读出方案不需要耦合到费米水库，从而提供了一个紧凑的和潜在的可扩展的解决方案，其操作可以扩展到1.K以上。
2019-07-02 cond-mat.mes-hall
Valley-Free Silicon Fins Caused by Shear Strain
本文提出利用大剪切应变的CMOS兼容硅鳍场效应晶体管设计，完全消除谷自由度，将非计算态能隙提高一个数量级以上，为硅基大规模量子处理器提供新思路。
2024-07-22 cond-mat.mes-hall
Industrial 300$\,$mm wafer processed spin qubits in natural silicon/silicon-germanium
本研究展示了在工业300毫米晶圆生产线上完全制造的天然硅/硅锗异质结构量子点，实现了低电荷噪声、长相干时间和高保真度，证明了工业制造硅基自旋量子比特的可扩展性与可重复性。
2024-09-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Measurement of cryoelectronics heating using a local quantum dot thermometer in silicon
本文利用嵌入硅场效应晶体管中的量子点温度计，测量了邻近有源FET在静态和动态工作下的局部温升，给出了不同间距下的功率预算，为混合量子-经典系统的低温电子电路设计提供了依据。
2023-10-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
A four-qubit germanium quantum processor
利用先进的半导体制造技术构建量子线路的前景使量子点成为量子信息处理的一个有吸引力的平台。对各种材料的广泛研究已经导致了砷化镓，硅和锗中双量子位逻辑的演示。然而，在半导体器件中互连更大数量的量子位仍然是一个突出的挑战。在这里，我们展示了一个基于锗量子点中空穴自旋的四量子比特量子处理器。此外，我们将量子点定义为2 × 2阵列，并获得了沿两个方向的可控耦合。量子位逻辑是全电实现的，交换相互作用可以被脉冲化，以自由编程单量子位、双量子位、三量子位和四量子位操作，从而形成紧凑和高连接性的电路。我们执行一个量子逻辑电路，产生一个四量子位格林伯格-霍恩-蔡林格状态，我们获得相干演化，通过将动力学解耦。这些结果是实现量子点量子纠错和量子模拟的重要一步。
2020-09-09 cond-mat.mes-hall
Coherent control of electron spin qubits in silicon using a global field
硅自旋量子比特有望利用过去半个世纪硅纳米电子器件制造的非凡进展来提供大规模量子处理器。尽管使用硅技术具有可扩展性优势，但实现运行一些最苛刻的量子算法所需的数百万量子位的量子计算机仍然面临着几个突出的挑战，包括如何同时控制这么多量子位。最近，提出了紧凑的3D微波介电谐振器，作为仅使用单个微波源在整个量子芯片上递送用于自旋量子比特控制的磁场的方式。虽然证明了单个电子在全局微波场中的自旋共振，但自旋是不相干控制的。在这里，我们报告的相干拉比振荡的单电子自旋量子比特在平面硅MOS量子点器件使用的全球磁场产生的芯片外。对介质谐振器驱动的相干量子比特控制的观察为在基于自旋的量子计算机中实现大规模控制建立了可靠的途径。
2021-10-06 cond-mat.mes-hall
Protected valley splitting against interface disorder toward scalable silicon electron spin qubits
通过单轴应变增强谷分裂并使其免受界面杂波影响，提升硅基自旋量子比特的栅极均匀性，为可扩展量子处理器奠定基础。
2025-11-27 cond-mat.mes-hall
Complete Coherent Control of Silicon-Vacancies in Diamond Nanopillars Containing Single Defect Centers
相同且可单独寻址的量子位阵列为创建可扩展的量子硬件（如量子处理器和中继器）奠定了基础。金刚石（SiV）中的硅空位中心提供了优异的物理特性，例如低非均匀加宽，快速光子发射和大的Debye-Waller因子，而全光学超快操纵和延长自旋相干时间的技术的可能性使它们成为量子比特的非常有前途的候选者。在这里，我们已经开发出阵列的纳米柱含有单一的SiV中心与高产率，我们展示了超快的全光学完整的相干控制的一个单一的SiV中心的状态。化学气相沉积（CVD）生长的SiV中心的高质量提供了优异的光谱稳定性，这使我们能够使用超快光脉冲在皮秒时间尺度上相干操纵和准共振读出单个SiV中心的状态。这项工作为创建可扩展的芯片上金刚石平台，用于量子信息处理和可扩展的纳米光子学应用开辟了新的机会。
2017-01-18 cond-mat.mes-hall
Non-volatile programmable silicon photonics using an ultralow loss Sb$_2$Se$_3$ phase change material
可适应、可重构和可编程是下一代硅基光子处理器、神经网络和量子网络的关键功能。相变技术提供了经验证的非易失性电子可编程性，然而迄今为止使用的材料已经显示出与集成光子平台不兼容的过高的光学损耗。在这里，我们证明了以前未开发的材料Sb $_2$ Se $_3$的超低损耗可编程硅光子的能力。在Sb $_2$ Se $_3$中看到的大折射率对比度和超低损耗的有利组合促进了马赫-曾德尔干涉仪中超过10 $π$弧度的前所未有的光学相位控制。为了证明对光的流动的完全控制，我们引入纳米光子数字图案化作为一种概念上的新方法，其足迹数量级小于最先进的干涉仪网格。我们的方法使大量的可能性，在高密度的硅芯片上的光学功能的重新配置。
2021-01-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Bell-state tomography in a silicon many-electron artificial molecule
一个纠错的量子处理器将需要数百万个量子比特，这突出了纳米级器件的优势，比如硅量子点。然而，对于每一个具有纳米尺度的器件，原子水平的无序对量子比特的均匀性是有害的。在这里，我们研究了两个自旋量子比特限制在硅双量子点人工分子。每个量子点具有坚固的壳结构，并且当在5或13个电子的占据下操作时，分别在其$p$ -或$d$ -轨道中具有单个自旋- $\frac{1}{2}$价电子。这些较高的电子占据屏蔽了原子级的无序。更大的多电子波函数还使得相邻量子位电子之间能够显著重叠，同时为间隙交换栅电极腾出空间。我们利用微磁体的磁场梯度实现了一个通用的量子门组，用于电驱动的单量子比特门，并通过脉冲交换耦合实现了一个门电压控制的点间势垒来实现两个量子比特门。我们使用这个门设置，以展示保真度90.3%的多电子量子比特之间的贝尔状态准备，证实了两个量子比特状态断层扫描使用自旋宇称测量。
2020-08-10 cond-mat.mes-hall
Single-electron spin resonance in a nanoelectronic device using a global field
基于自旋的硅量子电子电路为量子计算提供了一个可扩展的平台，将半导体器件的可制造性与硅中自旋提供的长相干时间相结合。从目前的几个量子位器件发展到容错操作所需的超过100万个量子位的硅量子处理器，提出了几个独特的挑战，其中最苛刻的挑战之一是能够提供微波信号进行大规模量子位控制。在这里，我们展示了一个潜在的解决方案，这个问题，通过使用三维介电谐振器广播全球微波信号跨越量子纳米电子电路。关键的是，这种技术只使用一个微波源，并且能够同时向数百万个量子比特发送控制信号。我们表明，全球领域可以用来执行自旋共振的单电子限制在硅双量子点设备，建立这种方法的可行性可扩展的自旋量子位控制。
2021-02-11 cond-mat.mes-hall
Dispersive readout of valley splittings in cavity-coupled silicon quantum dots
体硅的能带结构具有六重谷简并。Si/SiGe量子阱系统中的应变部分地提升了谷简并，但是设置两个最低谷的分裂的材料因素仍在深入研究中。提出了一种精确测量超导微波谐振器中Si/SiGe双量子点谷分裂的方法。我们发现双量子点能级谱中的低谷态导致了腔传输中容易观察到的特征。这些特征产生半导体双量子点的微观能级结构的“指纹”，提供谷分裂和谷间耦合率的有用信息。
2016-07-29 cond-mat.mes-hall
Single-spin qubits in isotopically enriched silicon at low magnetic field
单电子自旋量子比特采用1特斯拉或更高量级的磁场，以使得能够经由自旋相关隧穿读出量子态。这需要用于相干自旋共振控制的苛刻的微波工程和用于电子库的显著的片上不动产，这两者都限制了大规模多量子比特系统的前景。或者，单重态-三重态（ST）读出使得能够在低得多的磁场中进行高保真自旋状态测量，而不需要储存器。在这里，我们展示了低场操作的金属氧化物硅（MOS）量子点量子位相结合的相干单自旋控制与高保真度，单发，保利自旋封锁为基础的ST读出。我们发现，在150 mT的低磁场下，量子比特的退相干速度更快，其中$T_{2}^{Rabi}=18.6$ ~ $μ$ s和$T_2^*=1.4$ ~ $μ$ s。它们的相干性受到同位素富集的$^{28}$ Si主体材料中的残留$^{29}$ Si核的自旋翻转的限制，所述自旋翻转在较低场更频繁地发生。我们的发现表明，需要新的权衡来确保自旋量子比特的频率稳定，并强调了设备衬底的同位素富集对于实现可扩展的硅基量子处理器的重要性。
2019-08-23 cond-mat.mes-hall
