电驱动多施主量子点量子比特的优化

多施主量子点在近期基于 Si 的量子计算进展中处于前沿。其中，$2P:1P$ 量子比特具有内建偶极矩，可通过超精细介导的电子偶极自旋共振（EDSR）实现全电学自旋操控。全电学多施主点量子比特的发展需要充分理解其 EDSR 和相干特性，并纳入其基态的多谷性质。在此，通过引入变分有效质量波函数，我们考察了量子比特几何结构和附近电荷缺陷对 $2P:1P$ 量子比特电学操控和相干性的影响。我们报告了四个结果：（i）$2P$ 和 $1P$ 位点之间超精细相互作用的差异使得快速 EDSR 成为可能，其 $T_\pi \sim 10-50$ ns，拉比比 $(T_1/T_\pi) \sim 10^6$。我们分析了 $2P:1P$ 轴沿 [100]、[110] 和 [111] 晶轴排列的量子比特，发现最快的 EDSR 时间 $T_\pi$ 出现在 $2P:1P$ 轴 $\parallel$[111] 时，而最佳拉比比出现在其 $\parallel$ [100] 时。这一差异归因于不同几何结构下 $2P$ 与 $1P$ 之间波函数重叠的差异。相比之下，$2P$ 轴的选择对量子比特操控无明显影响。（ii）对由附近电荷缺陷引起的随机电报噪声的敏感性强烈依赖于附近缺陷相对于量子比特的位置。对于某些缺陷取向，随机电报噪声对失谐和 $2P-1P$ 隧穿均有显著影响，后者会引发门误差。（iii）只要量子比特在远离电荷反交叉处工作，其对 $1/f$ 噪声具有鲁棒性。（iv）通过交换的纠缠比偶极-偶极耦合快几个数量级。这些发现为快速、低功耗、相干且可扩展的施主点基量子计算铺平了道路。