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▲第一作者：Cécile X. Yu、Simon Zihlmann通讯作者：Romain Maurand、Simon Zihlmannhttps://doi.org/10.1038/s41565-023-01332-3半导体量子点中的自旋构成了可扩展量子信息处理的一个有前途的平台。将它们强耦合到超导微波谐振器的光子模式中，可以实现快速的非破坏性读出和远距离的片上连接，远远超出最近邻的量子相互作用。1.本工作展示了超导谐振腔中的微波光子和硅基双量子点中的空穴自旋之间的强耦合，这种耦合来自于铸造兼容的金属-氧化物-半导体制造工艺。2.通过利用硅价带中本征存在的强自旋轨道相互作用，本工作实现了高达330 MHz的自旋-光子耦合速率，大大超过了组合自旋-光子退相干速率。3.这一结果与最近在硅中证明的空穴自旋的长相干性一起，为半导体量子点中自旋的电路量子电动力学的发展开辟了一条新的现实途径。1、本工作设计的自旋电路QED结构的特点是一个限制在硅DQD器件中的孔与一个捕获在超导腔中的单个微波光子相互作用。DQD寄存在一个天然硅纳米线MOS晶体管中，其沟道由4个穿过纳米线的Ω形栅控制(图1a)。中断硅芯片的后端制造，将第一个金属互连层替换为具有大动态电感和磁场弹性的10 nm厚的氮化铌(NbN)层。2、随后在NbN薄膜中制备了高阻抗的(2.5 kΩ)微波腔，以及50 Ω的微波馈线、接地平面和扇出线(图1b)。除了非常适合未来的大规模集成，所使用的与铸造工艺兼容的MOS技术还具有较大的栅电容，导致紧密的静电控制，从而与腔模的电场分量强耦合。3、为了表征电荷-光子耦合强度gc，本工作监测了当VG1和VG2变化时，频率fr处的透射(图1c)。在深蓝色区域，两个点的能级对齐，使得空穴在点与点之间振荡以响应腔电场。从色散位移的温度依赖性中，本工作提取了一个电荷-光子耦合强度gc/2π=513 MHz和一个点间隧道耦合tc/h=9.57 GHz。1、面内磁场B抬升了DQD电荷态的自旋简并(图2a)。两个最低自旋极化态定义了一个SO翻转模式的量子比特。本工作探测了ε≈0处的自旋-光子相互作用，其中DQD中空穴的电偶极子是最大的。2、当塞曼自旋劈裂ℏωs与腔(fr≃ fs=ωs/2π)的共振频率相匹配时，自旋-光子杂化导致避免交叉，将腔响应分裂为两个由真空拉比模劈裂分开的分支。这种避免交叉的代表性测量结果如图2a所示，其中归一化透射率被绘制为fp和B=︱B︱在ϕ=45°处关于纳米线轴的函数。3、线条在共振处出现两个明显的凹陷，由真空拉比模分裂2gs/2π=184 MHz分离，其中gs为自旋-光子耦合。这些凹陷的线宽产生了杂化自旋光子态12(γs+κ/2)/2π=7 MHz的退相干率，其中γs为自旋退相干率。由κ/2π=14 MHz，本工作得到γs/2π=7 MHz。gs≫κ,γs表明腔内空穴自旋与光子之间存在强耦合。1、改变面内磁场的方向，发现真空拉比劈裂中存在明显的各向异性，在ϕ=3° (ϕ=79°) (图3a、b)处测得最大(最小) gs/2π为330 MHz(10 MHz)。2、如图3b所示，在ϕ=75 °附近，gs/2π几乎被完全抑制。由于gs并没有完全消失，Bso必然存在一个很小的面外分量。然而，总体而言，本工作可以得出Bso的取向与y轴相当接近。Bso的取向主要由器件的几何形状决定。3、预期其垂直于点间隧穿方向(~x轴)以及点间势垒区的平均电场方向(~z轴)。由于g矩阵的各向异性，最大化gs的磁场取向与Bso不完全正交。1、目前报道的自旋-光子耦合得益于DQD在ε≈0处的大电偶极矩。下面本工作探究当空穴局域在单个量子点中时，自旋与腔的相互作用。图4a显示了当微波腔与限制在右点(ε≤-tc)的空穴的自旋劈裂共振时的透射。2、尽管空穴偶极矩显著减小，但在透射中仍然可以看到两个凹陷，暗示γs<gs。它们的分离揭示了自旋-光子耦合gs/2π≈1 MHz。由于gs κ(所谓的劣腔)，一个明显的真空拉比模分裂无法解决。3、为了进一步支持单点自旋-光子相互作用的存在，本工作将gs测量为ε的函数(图4b)。本工作发现，当增加︱ε︱时，gs下降了两个数量级以上，但当空穴完全局域在右点时，gs趋于饱和。这种限制引起了潜在的兴趣，因为使用单点会简化器件结构，减少控制参数的数量，允许更长的空穴-自旋相干性，并使替代和可能更有效的自旋光子结构。此外，依靠可操作的点来实现自旋-光子耦合方案有望取得重大进展，其中退相干被减少并保持高效的电控制。https://www.nature.com/articles/s41565-023-01332-3