范德瓦尔斯异质结中的可扩展量子比特研究

Spin qubits in quantum dots are promising candidate to realize quantum computation. However, its shortcoming in terms of scalability restricts the further development of semiconductor-based quantum computation. Exploring new scalable quantum systems is one of the key research areas in this field. Moiré pattern in two-dimensional van der Waals heterostructure is a nanoscale periodic super structure. It not only contains rich physics, but also provides a new platform for constructing high-density nanoscale devices. The present project intends to systematically study how to construct scalable qubits using moiré pattern in van der Waals heterostructure formed by two-dimensional semiconductors. We will study the dependence of electronic properties in heterostructure on the atomic stacking configurations, and reveal the formation mechanism of scalable quantum dots in the moiré pattern. We then define scalable qubits in this period quantum dot array and explore feasible scheme to realize quantum logical gate operations. In order to understand decoherence mechanism in the qubit system, we study the interaction between electron spin and its environment in van der Waals heterostructure. By the studies in this project, we look forward to providing a new platform for the realization of scalable quantum computation, and further extending the application prospect of two-dimensional materials.

量子点电子自旋量子比特是实现量子计算的有力候选者。但其在扩展性方面的短板制约着半导体量子计算的进一步发展，探索新的可扩展量子系统是该领域的研究核心之一。二维材料范德瓦尔斯异质结中的摩尔条纹是纳米尺度的周期性结构，它不仅蕴含着丰富的物理，也是构筑可扩展量子器件的崭新平台。本项目拟系统地研究如何利用二维半导体材料范德瓦尔斯异质结中的摩尔条纹来构建可扩展量子比特。申请人将研究范德瓦尔斯异质结中的电子结构随原子堆垛构型的变化关系，并揭示摩尔条纹中量子点阵列的形成机制，进而定义可扩展量子比特。申请人也将探讨可行的量子逻辑门操控方案，并研究范德瓦尔斯异质结中的电子自旋和其所处环境的相互作用，旨在探讨量子比特系统中的退相干行为。通过该项目的研究，我们期待为实现可扩展量子计算提供新的物理平台，并进一步拓展二维材料的应用前景。

量子点电子自旋量子比特是实现量子计算的有力候选者。但其在扩展性方面的短板制约着半导体量子计算的进一步发展，探索新的可扩展量子系统是该领域的研究核心之一。本项中我们利用二维材料范德瓦尔斯异质结特有的莫尔条纹结构引入纳米尺度的周期性局域电子态，构造可扩展量子比特。我们探索了一系列具有周期性局域电子态的量子材料。具体而言，在二维过渡金属硫族化合物范德瓦尔斯异质结形成的莫尔条纹中，我们利用空间变化的层间相互作用定义莫尔势，并通过界面干涉效应将其周期放大；在二维狄拉克材料及其形成的莫尔条纹中，我们揭示了其电子及自旋局域态的反常行为，并给出其有效调控方案；在二维磁性材料形成的莫尔条纹中，我们发现不需要Dzyaloshinskii-Moriya相互作用产生的周期性磁纹理，及产生在其中的局域化磁振子。这些新奇周期性局域态均可被用来构造可扩展量子比特。在本项目的资助下，共发表SCI论文七篇，包括Physical Review Letters一篇、Nano Letters两篇。我们的系列研究成果为实现可扩展量子计算提供了新的物理平台，并进一步拓展了二维材料的应用前景。