中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在新型量子比特編碼方面再取新進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室郭國(guó)平教授研究組在半導(dǎo)體量子芯片中，創(chuàng)新性地引入第三個(gè)量子點(diǎn)作為控制參數(shù)，在保證新型雜化量子比特相干性的前提下，成功實(shí)現(xiàn)了量子比特能級(jí)的連續(xù)調(diào)節(jié)，極大地增強(qiáng)了雜化量子比特的可控性。相關(guān)研究成果發(fā)表在2017年12月29日出版的《Physical Review Applied》上。

    開(kāi)發(fā)與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝兼容的電控量子芯片是量子計(jì)算機(jī)研制的重要方向之一。由于固態(tài)系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，存在著電荷噪聲、核磁場(chǎng)等各種退相干機(jī)制，不同形式的編碼方式都有一定局限，比特的超快操控與長(zhǎng)相干往往不可兼得。研究組于2016年利用量子點(diǎn)的非對(duì)稱性，構(gòu)建電子與自旋雜化態(tài)，首次在砷化鎵半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)芯片中實(shí)現(xiàn)了量子相干特性好、操控速度快、可控性強(qiáng)的電控新型編碼量子比特[Phys. Rev. Lett. 116, 086801 (2016)]，將電荷量子比特超快特性與自旋量子比特的長(zhǎng)相干特性融為一體，實(shí)現(xiàn)了魚(yú)（超快操控）和熊掌（長(zhǎng)相干）的兼得，將傳統(tǒng)電荷量子比特的品質(zhì)因子（相干時(shí)間與操控速度的比值）提高了十倍以上。

    為了提高雜化量子比特能級(jí)可控性，研究人員將非對(duì)稱思想進(jìn)一步運(yùn)用到三量子點(diǎn)系統(tǒng)，將原有的雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展成線性耦合三量子點(diǎn)系統(tǒng)。研究者首先通過(guò)理論計(jì)算分析，驚喜地發(fā)現(xiàn)當(dāng)中間量子點(diǎn)與其兩側(cè)量子點(diǎn)耦合強(qiáng)度非對(duì)稱時(shí)，電子在雙量子點(diǎn)中演化的能級(jí)結(jié)構(gòu)可以被第三個(gè)量子點(diǎn)高效地“間接”調(diào)控。在實(shí)驗(yàn)中，研究者首先通過(guò)半導(dǎo)體納米加工工藝精確地制備出非對(duì)稱耦合三量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。利用電子的原子殼層結(jié)構(gòu)填充原理，巧妙地化解多電子能級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性這一難題，構(gòu)造了具有準(zhǔn)平行能級(jí)的雜化量子比特。在保證比特相干時(shí)間的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)第三個(gè)量子點(diǎn)的電極電壓，清晰地觀察到比特能級(jí)在2 ~ 15 GHz 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

    高效調(diào)控量子點(diǎn)系統(tǒng)能級(jí)是半導(dǎo)體量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，該工作不僅為雜化量子比特的可控性問(wèn)題提供了一個(gè)可能的解決方案，也為半導(dǎo)體量子計(jì)算提供一種新的調(diào)控思路。審稿人高度評(píng)價(jià)這個(gè)工作是基于自旋量子計(jì)算方面的一個(gè)重要進(jìn)展，同時(shí)為多電子量子點(diǎn)器件的研究提供了新視野。（“This experiment marks a great advance in the field of quantum-dot-spin based quantum computation”，“These experiments are difficult ones, and that they have provided new insights to the multi-electron quantum-dot devices”）

    該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。

    三量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖：左側(cè)兩個(gè)量子點(diǎn)（紅色和藍(lán)色箭頭）構(gòu)成雜化量子比特，右側(cè)量子點(diǎn)（綠色箭頭）調(diào)節(jié)雜化量子比特能級(jí)間隔。