编辑推荐：
为解决半导体自旋量子比特在高温下读出保真度降低以及读出时间长的问题，研究人员开展了关于磷掺杂硅量子点双量子比特的闩锁自旋读出（LSR）研究。结果表明，在 0.02K 时 175ns 积分时间内读出保真度达 99.44%，3.7K 时 1.5μs 内达 97.87% ，为大规模量子计算提供可能。
在量子计算的前沿领域，电子自旋量子比特凭借其独特优势，成为构建大规模量子计算机的热门候选方案。半导体中的电子自旋量子比特，因尺寸小、相干时间长和可制造性强，备受关注。传统上，自旋量子比特的读出常采用能量选择性读出方式，在毫开尔文温度下，其保真度虽能高达 99.95%，但读出时间却在 1 微秒到 100 微秒之间，与电子自旋相干时间相近，这极大地限制了量子计算的效率。此外，随着温度升高，读出保真度会显著下降，在高于 1K 的温度下，由于单电子晶体管（SET）电荷传感器受热展宽影响，灵敏度降低，读出保真度仅为 60 - 95%，这成为实现高温量子计算的关键阻碍。
为突破这些困境，来自澳大利亚新南威尔士大学量子计算与通信技术卓越中心（Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）和硅量子计算有限公司（Silicon Quantum Computing Pty Ltd）的研究人员，开展了一项极具创新性的研究。他们致力于探索如何通过精确工程设计，优化量子比特的性能，实现高温、快速且高保真的电子自旋读出。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用扫描隧道显微镜氢抗蚀剂光刻技术（scanning tunnelling microscopy hydrogen resist lithography），制造出具有精确几何结构的双多施主量子点器件。其次，精心设计电路，将量子点与 SET 电荷传感器进行强电容耦合，并通过射频（RF）谐振电路来探测 SET 的电导变化，以此获取自旋态信息。
结果
- 器件设计与原理：研究人员制造的双多施主量子点器件，其量子点与 SET 电荷传感器的隧道耦合经过精确设计，呈现不对称性。这种设计使得电子在量子点间的隧穿行为可控，通过调整量子点与 SET 的相对几何距离，能有效抑制或增强电子隧穿。在稳定性图中，可观察到电子在量子点间隧穿以及向 SET 电荷传感器隧穿时，会引起 SET 电导峰的不同变化，这为自旋读出提供了信号基础。
- 闩锁自旋读出（LSR）脉冲序列：采用三能级脉冲序列进行 LSR。系统先随机初始化为四个双电子自旋态之一，随后脉冲至特定电荷区域，利用量子点间的交换相互作用，使自旋基态形成单重态（S）和三重态（T0、T+、T?） 。由于强超精细耦合，单重态 - 三重态在特定区域混合。最后，通过脉冲至特定电荷区域进行闩锁读出，利用电荷态间的缓慢隧穿速率，实现奇偶自旋态的区分。
- SET 电荷传感器性能：研究发现，SET 信号峰高在温度升至 3.7K 时变化不大，在 1K 以下能保持最大 SET 信号 0.7mV，3.7K 时降至 0.35mV。通过对射频 - SET 谐振电路瞬态响应的测量，得到 0.02K 时特征上升 - 下降常数为 48 - 56ns，3.7K 时为 35 - 39ns，对应的品质因数在不同温度下与之前报道的磷掺杂硅中的值相当，表明该传感器具备高测量带宽的潜力。
- 读出保真度：在 0.02K 的混合室基础温度下，175ns 积分时间内，单次自旋奇偶性读出保真度可达 99.44 ± 0.05%。在 3.7K 时，1.5μs 内最大读出保真度为 97.87 ± 0.05%。短积分时间时，保真度受 SET 信噪比限制；长积分时间时，受（2,0）奇数奇偶态向（2,1）电荷态的隧穿诱导弛豫率限制。
结论与讨论
该研究成果在电子自旋读出领域取得了重大突破。通过将强耦合的 SET 与量子点到电荷库隧穿速率的不对称工程相结合，实现了亚微秒级读出，保真度超过 99.4%，且在 3.7K 的高温下仍能保持较高保真度。与以往研究相比，不仅提高了读出速度和保真度，还显著提升了可操作温度范围。这一成果为大规模量子处理器在无需稀释制冷机的情况下实现高温运行提供了可能，为量子计算技术的发展开辟了新路径。未来，结合同位素纯化的硅 - 28 生长技术和片上天线，有望进一步独立量化量子比特的可见性，推动量子计算领域向更高水平迈进。
