无序性与应变对平面 Ge 空穴自旋量子比特运行的影响

应力 $\text{Ge}/\text{Si}_{1-x}\text{Ge}_{x}$ 异结构中的德国仿量子点在实验中表现出快速且相干的空穴量子比特控制。本文在理论和数值计算层面系统研究随机合金无序性和栅极诱导应变对平面 Ge 空穴自旋量子比特运行的影响。通过源自 Ge 价带内在自旋轨道耦合( SOC )以及由底层二维空穴气体固有的结构反演不对称性产生的强 Rashba SOC，实现了空穴量子点自旋量子比特的电气化操作。我们采用原子尺度价值力场(VFF)方法计算因随机合金无序性引起的应变，并利用 COMSOL Multiphysics中的热膨胀模型获取平面空穴量子点约束栍格堆栈导致的应变。最近的研究表明，应变不均匀性可诱导比例于 $k$ 的自旋轨道耦合项。我们的混合现实器件建模方法表明，随机合金无序性和栅极应变共同导致的应变不均匀性对线性-$k$ Dresselhaus SOC 贡献巨大，最终主导空穴自旋 EDSR；且存在特定的平面磁场 $\mathbf{B}$ 与微波驱动 $\mathbf{\tilde{E}}_{\text{ac}}$ 方向，使空穴自旋量子比特的 EDSR Rabi 频率达到最大值。本模型在包含应变不均匀性后，能将 EDSR Rabi 频率准确预测为约 $100$ MHz，与实验中典型电磁场条件相符，这至少比假设均匀单轴应变的现象学模型精度提高了一个数量级。与 $\mathbf{k}{\cdot}\mathbf{p}$ 描述一致的现代原子尺度紧束缚计算通过 nano-electronic modeling (NEMO3D) 也得到验证。