中国科大发现硅基自旋量子比特操控优化的新方法
我校郭光灿院士团队在硅基自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队郭国平、李海欧研究组与合作者以及本源量子计算公司合作，对集成微磁体的硅基量子点进行研究，发现了自旋量子比特操控的各向异性：通过改变外加磁场与硅片晶向的相对方向，可以将自旋量子比特的操控速率、退相干速率和可寻址性进行同时优化。该研究成果发表在4月27日出版的国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。部分工作在微纳研究与制造中心完成。
硅基自旋量子比特以其超长的量子退相干时间，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。近几年，基于硅平面晶体管（Si MOS）、硅/硅锗异质结构造的自旋量子比特的单比特控制保真度可以达到99.9%，两比特控制保真度可以达到99%，最多的比特操控数目可以达到6个，包括Intel、CEA-Leti、IMEC等国际巨头企业均已利用自身在半导体工业的优势积累，开始参与硅基半导体量子计算研究。然而，通过嵌入微磁体进行量子比特操控的硅基量子点会大幅增加电荷噪声对量子比特操控的影响，降低量子比特阵列的平均操控保真度，阻碍硅基量子比特阵列的进一步扩展。
为了抑制微磁体可能对比特操控的不利影响，传统的方法是优化微磁体形状的设计，增强横向磁场梯度的同时抑制纵向磁场梯度。然而，当量子比特阵列扩展起来之后，微磁体形状的优化设计受到阻碍。另一种更为有效的方法是原位调节磁场方向，例如已报道的在不含有微磁体的硅半导体量子点中，通过调节磁场方向可以有效改变本征自旋-轨道耦合的大小，改变比特操控频率、调节量子比特退相干时间，进而优化量子比特操控。然而，对于嵌入微磁体的硅量子点，通过调节微磁体性质进行量子比特操控优化的工作尚无相关报道。
李海欧、郭国平等人通过制备高质量的集成微磁体的Si MOS量子点，实现了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读出，并以此测量技术为基础研究了外加磁场方向对自旋量子比特操控的影响。研究人员发现，当施加的面内磁场到达某一特定角度时，操控速率可以保持较高的水平而电荷噪声引起的退相干被大大抑制，而量子比特的寻址特性又被维持在一个较高的水平。这一特点说明通过旋转磁场方向，硅基自旋量子比特的操控速率、退相干时间和可寻址性得到同时优化。研究人员同时发现，在旋转磁场的过程中，面内横向磁场梯度起到了不可忽视的作用，这也暗示了旋转磁场方向对研究含有微磁体的自旋轨道耦合——合成自旋轨道耦合的丰富物理内涵具有重要意义。
该工作得到了审稿人的高度评价：“能够理解并且预测微磁体器件的最优工作点是非常有用的，这些结果对这个领域来说是非常有价值的贡献(Being able to understand and predict good operating points of micromagnet devices is useful and these results are a valuable contribution to the field)”。该工作同时也得到了同行的高度关注，专注硅基自旋量子比特的理论物理学家Yujun Choi和Robert Joynt在近期的文章（arXiv:2103.05865）中表示该项成果展示了通过改变磁场方向优化量子比特操控的实验方面的努力（Indeed, experiments to optimize qubit operation by so changing the direction of the field using a vector magnet have been carried out）。
图1. 利用磁场的各向异性优化硅基半导体自旋量子比特操控示意图。
郭国平教授研究组长期致力于半导体量子芯片的研发，于2014年开始开展基于自旋量子比特的硅基半导体量子计算研究，2020年在[Phys. Rev. Lett. 124, 257701 (2020)]上发表文章，在实验中发现了硅基自旋量子比特寿命的强各向异性，将量子比特弛豫时间提高2个数量级。在之前研究的基础上，此次关于量子比特操控的进展进一步提升了量子比特操控的优化空间，为实现高保真度的多量子比特扩展的硅基量子计算研究打下了坚实的基础。
中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧研究员为论文共同通讯作者，博士生张鑫、周圆为论文共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及图书馆VIP的资助。
中国科大在微波谐振腔探测半导体量子芯片上取得重要进展
我校郭光灿院士团队在微波谐振腔探测半导体量子芯片上取得重要进展。该团队郭国平、曹刚等人与本源量子计算有限公司合作，利用微波超导谐振腔实现了对半导体双量子点的激发能谱测量。相关研究成果以“Microwave-resonator-detected excited-state spectroscopy”为题，发表在4月28日出版的国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。部分工作在微纳研究与制造中心完成。
半导体系统具有良好的可扩展可集成特性，被认为是最有可能实现通用量子计算的体系之一。近年来硅基半导体量子计算取得系列进展，量子比特性能得到大幅提升，单比特和两比特逻辑门保真度均已达到容错量子计算阈值，如何进一步扩展比特数量、提高比特读取保真度成为该领域的重要议题。
电路量子电动力学以微波光子为媒介，不仅可以用来实现比特间长程耦合，还可以用于对比特的非破坏性、高灵敏探测，是量子比特扩展和读出的一种重要方案。该工作中研究人员制备了铌钛氮微波谐振腔-半导体量子点复合器件，利用铌钛氮的高阻抗特性大幅提高了微波谐振腔与量子比特的耦合强度，达到强耦合区间。进一步通过在器件上施加方波脉冲驱动电子在量子点的不同能级间跃迁，并利用高灵敏微波谐振腔读取出跃迁信号。利用该技术，课题组表征了双量子点系统的能级谱图，特别是利用信号对不同能级的响应特性，给出了系统的自旋态占据信息。
郭国平教授研究组长期致力于半导体量子芯片的研究，此前于2021年2月在《Science Bulletin》上报道的工作展示了利用微波谐振腔实现半导体两量子比特长程耦合，并开发了新的谱学方法快速表征系统的耦合参数。在此研究基础上，此次利用微波谐振腔对量子比特能级谱和自旋态的高灵敏测量，为将来实现半导体量子比特的高保真读出提供了一种有效方法。
图(a)半导体量子点-微波谐振腔复合器件的电子显微镜示意图。红色方框是多个金属电极控制的半导体双量子点，蓝色线条标出的是微波谐振腔。图(b)微波谐振腔探测的双量子点激发态幅值谱。
中科院量子信息重点实验室郭国平教授、曹刚教授为论文共同通讯作者，博士生陈明博为论文第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及图书馆VIP的资助。