实现快速石墨烯量子比特读出的简便途径：谐振电路中的 QPC 传感器

双层石墨烯中的量子点（Quantum Dot，QD）是一种前景广阔的新型平台，可用于构建基于自旋和谷自由度的固态量子比特。双层石墨烯天然具有较弱的超精细相互作用和较低的自旋–轨道耦合，因而有望实现较长的相干时间；其带隙可通过栅极电压进行调谐，不仅有利于电子的局域限制，还可以在同一器件中形成电子量子点和空穴量子点。

研究人员已经使用脉冲栅控直流输运技术测量了自旋和谷弛豫时间，并在双层石墨烯双量子点中展示了自旋态和谷态的阻塞机制，从而实现自旋–电荷转换和谷–电荷转换 [1]。

要将量子点用作量子比特，快速读出电荷态、自旋态或谷态的机制至关重要。迄今为止，研究人员已经通过电容耦合量子点中的电荷输运和色散读出技术，在双层石墨烯量子点上实现了电荷传感。然而，所实现的检测带宽仍局限于 Hz 至较低 kHz 的范围。

后续实验需要以数百 kHz 至 MHz 范围内的大单次测量带宽，测量量子点状态占据情况的实时动力学。

我们采用电容耦合的量子点接触（Quantum Point Contact，QPC）作为快速电荷传感器，实现了一种射频（RF）电荷检测方案。通过将 QPC 嵌入阻抗匹配的谐振电路中，我们能够以最高数 MHz 的带宽监测附近石墨烯双量子点中的电荷跃迁。

苏黎世仪器 600 MHz UHFLI 锁相放大器在这套实验装置中发挥着核心作用：它既可以提供射频载波，又可以对谐振电路反射的信号进行数字解调，并提供多种滤波选项。与自行搭建的模拟解调电路相比，该方案显著降低了实验装置的复杂度。

通过在双层石墨烯双量子点中采用基于射频反射测量的电荷检测方法，我们实现了 7 MHz 的检测带宽，速度显著高于传统直流测量。

我们将这种读出方案应用于电子–空穴双量子点——这是双层石墨烯所特有的一种配置——并展示了电荷态的时间分辨检测。这项成果有望为基于石墨烯的量子比特提供一种高保真度读出方案 [2]。

在未来的实验中，我们计划将这种读出技术与电子–空穴双量子点（QD）中稳健的自旋–谷阻塞机制相结合，以研究双层石墨烯量子点中自旋态和谷态的动力学，最终目标是将该方案用于量子比特读出。

[1] L. Banszerus et al., Particle-hole symmetry protects spin-valley blockade in graphene quantum dots. Nature 618, 51 (2023)

[2] K. Hecker et al., Radio-frequency charge detection on graphene electron-hole double quantum dots https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04648