高纯锗中声子耦合空穴自旋量子比特：可扩展架构的设计与建模

我们提出了一种可扩展量子处理器架构的设计与建模，该架构利用栅控锗量子点中定义的空穴自旋量子比特，其中相干自旋-声子耦合有望促进量子比特操控与长程相互作用。该架构利用 Ge 中空穴态固有的强且可电调谐的自旋轨道相互作用，结合高质量声子晶体腔（PnCCs），以实现全电控的量子比特操控与声子介导的耦合。采用基于多能带 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 建模与有限元方法构建的精简仿真框架，我们量化了关键性能指标，包括范围从 $1.3$ 到 $2.0$ 的可电调谐 $g$-因子、高达 $6.3\,\mathrm{MHz}$ 的自旋-声子耦合强度、超过 $10^4$ 的声子晶体腔品质因数，以及达到毫秒级的声子介导自旋弛豫时间（$T_1$）。所提架构通过策略性的电场调制与工程化的声子带隙环境，同时实现了延长的自旋相干性与快速的门操作。此外，在南达科他大学内部生长的同位素富集高纯 Ge 晶体，通过最小化无序与超精细相互作用，显著增强了器件的相干性。这种融合了先进材料工程、精确自旋轨道耦合与声子晶体腔设计的综合方法，确立了一条迈向可扩展、高保真量子计算的极具前景的 CMOS 兼容途径。