Si/SiGe 异质结构的优化：实现硅量子比特中大尺度韧性山峰分裂
介观与纳米尺度物理
2025-12-23 v1 最优化与控制
应用物理
量子物理
摘要
硅（Si）中电子自旋量子比特面临的关键挑战之一是山峰分裂（valley splitting）极低且波动大，这限制了 Si 基量子处理器的可扩展性。在硅锗（SiGe）异质结构中，可通过设计等柱层堆来解决此问题。已提出若干经验策略以增强strained Si/SiGe 量子井（QW）中两个接近退极化山峰态之间的能隙，例如锋利的 Si/SiGe 界面、Ge 尖峰或 QW 中振荡的 Ge 浓度。本文发展了系统的变分优化方法，以计算最佳 Ge 浓度轮廓，以提升区间谱耦合矩阵元的选定性质。我们的自由形状优化方法经过若干技术约束增强，以确保所得等柱轮廓的可行性。该方法基于包含应变和组成合金无序效应的有效质量型包覆函数理论。各种此前提出的异质结构设计作为受约束优化问题的特例得到恢复。我们的主要结果是一种称为“调制摆动井”（modulated wiggle well）的新型异质结构设计，它提供了山峰分裂的大规模确定性增强，同时可靠抑制无序引起的波动性。此外，新的设计通过垂直电场实现对山峰分裂的宽范围可调性（约 200 μeV 至 1 meV），为构建可开关、按需调节山峰分裂的量子比特提供了新视角。
关键词
引用
@article{arxiv.2512.18064,
title = {Optimization of Si/SiGe Heterostructures for Large and Robust Valley Splitting in Silicon Qubits},
author = {Abel Thayil and Lasse Ermoneit and Lars R. Schreiber and Thomas Koprucki and Markus Kantner},
journal= {arXiv preprint arXiv:2512.18064},
year = {2025}
}