引言 突破性成果概览

在广东会计算的竞赛中，半导体自旋广东会比特因其与现有集成电路工艺的兼容性备受关注。然而，材料中的电荷噪声和核自旋噪声一直是实现大规模广东会处理器的主要障碍。最近，荷兰代尔夫特理工大学团队生长出以Ge晶圆为衬底的Ge/SiGe异质结结构，大大降低了异质结的位错密度，并用其系统性地研究Ge广东会点与Ge空穴广东会比特的噪声水平与退相干机制，其噪声水平远低于与之前以Si晶圆为衬底的Ge/SiGe异质结制备的广东会点，并通过动态解耦技术揭示了核自旋噪声的调控方法。这一进展为百万广东会比特集成提供了关键材料基础。

这一结果于2025年7月发表在《Nature Materials》上。

第一章 自旋广东会比特的“噪声之痛”与材料突破

广东会比特的相干时间决定了广东会计算的可行性。半导体自旋广东会比特通常面临两大噪声源：

· 电荷噪声：来自材料中电荷的随机涨落（例如缺陷的充放电），通过自旋轨道相互作用降低空穴广东会比特的T₁；

· 核自旋噪声：⁷³Ge和²⁹Si同位素的原子核自旋与空穴广东会比特相互作用，导致T₂^*的降低。

半导体广东会点的自旋广东会比特属于固态系统中的人造广东会比特，比特性能往往受到材料非均一性的限制，因而提升异质结广东会阱的材料质量是该领域发展的重中之重，研究团队采用Ge晶圆作为衬底，生长出低缺陷的Ge/SiGe异质结构，其Ge广东会阱的位错密度比之前的Si衬底版本低一个数量级，且迁移率高达3,400,000 cm²/V·s。

过去的噪声研究多聚焦于单一噪声源且在简单的双广东会点结构中表征，而这项研究首次在微米级二维广东会点阵列中实现了噪声的全局表征。

第二章 广东会点的电荷噪声表征

研究团队在双广东会点体系中利用广东会点的库伦振荡峰的位置变化来研究广东会点的电荷噪声，通过测量库仑峰边缘的实时电流涨落和库仑峰位置追踪方法（CPT），分别获得了电荷噪声的高频和低频成分。测得1 Hz下的平均电荷噪声仅为0.3 μeV Hz^-1/2，比硅衬底版本低2倍。团队还在范围更大（横跨微米尺度）的10广东会点体系中得到了相似的噪声水平，展示了Ge衬底版本的高均匀性。

图1 双广东会点体系的电荷噪声表征。(a)器件扫描电子显微镜图（SEM）以及截面示意图。双广东会点定义于P1与P2之下，S1与S2定义两个电荷传感广东会点（charge sensor）。(b) 其中一个广东会点的库伦振荡峰。白色灰色黑色点为噪声测量点。（c）图(b)中的选点对应的噪声水平。(d)库仑峰边缘的噪声能量密度谱。(e)各个广东会点的噪声能量密度统计。(f)CPT方法测量的低频噪声能量密度谱

第三章 广东会比特的电荷噪声与核自旋噪声表征?

团队利用电偶极自旋共振方法（EDSR）操控空穴广东会比特，利用泡利自旋阻塞（PSB）原理进行读取，利用动态解耦序列（CPMG方法）区分电荷噪声S0和核自旋噪声S0,hf对广东会比特相干性的影响。通过噪声数值分析得到⁷³Ge核自旋的积分噪声振幅估计值为180(8)  kHz，对应的T₂^*为1.25 μs。用同样的估算方法，在磁场B=117.5 mT时, 电荷噪声会将限制T₂^*至3.7 μs以下，而在10 mT下T₂^*的上限为44μs。因而在磁场B低于150mT时，⁷³Ge核自旋的噪声将主导退相干过程。由于空穴积累在Ge/SiGe界面处，广东会比特还不可避免地受势垒SiGe层中的²⁹Si核自旋影响。故团队还研究了²⁹Si核自旋噪声对广东会比特寿命的影响，发现其核自旋的积分噪声振幅为47 kHz，对应T₂^*上限为4.8 μs。因此，完全去除⁷³Ge和²⁹Si同位素，可将基于自旋回声（spin echo）的T₂^H在低磁场下（B=10 mT）提升至0.4 ms。

图2 广东会比特的电荷噪声与核自旋噪声表征。(a)双广东会点的电荷稳态图。(b)EDSR共振峰以及拉比振荡。(c)区分电荷噪声与核自旋噪声的模型。(d)CMPG-1实验与模拟结果。(e)归一化的CPMG-N序列表征结果。(f)电荷噪声与核自旋噪声水平的统计结果

终章 结语

这项研究不仅建立了半导体广东会比特噪声的系统性分析框架，更通过材料创新将电荷噪声推至新低，为未来研究噪声相关性以理解中等规模噪声器件中的纠错挑战奠定了基础。此外，还强调了优化Ge/SiGe界面及全同位素提纯异质结生长的重要性。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02276-w

撰稿｜杨诚刚

指导｜裴   天