中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在微波諧振腔探測半導(dǎo)體量子芯片上取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國平、曹剛等人與本源量子計(jì)算有限公司合作，利用微波超導(dǎo)諧振腔實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)的激發(fā)能譜測量。相關(guān)研究成果以“Microwave-resonator-detected excited-state spectroscopy”為題，發(fā)表在4月28日出版的國際應(yīng)用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

 

半導(dǎo)體系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展可集成特性，被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的體系之一。近年來硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算取得系列進(jìn)展，量子比特性能得到大幅提升，單比特和兩比特邏輯門保真度均已達(dá)到容錯(cuò)量子計(jì)算閾值，如何進(jìn)一步擴(kuò)展比特?cái)?shù)量、提高比特讀取保真度成為該領(lǐng)域的重要議題。

 

電路量子電動(dòng)力學(xué)以微波光子為媒介，不僅可以用來實(shí)現(xiàn)比特間長程耦合，還可以用于對(duì)比特的非破壞性、高靈敏探測，是量子比特?cái)U(kuò)展和讀出的一種重要方案。該工作中研究人員制備了鈮鈦氮微波諧振腔-半導(dǎo)體量子點(diǎn)復(fù)合器件，利用鈮鈦氮的高阻抗特性大幅提高了微波諧振腔與量子比特的耦合強(qiáng)度，達(dá)到強(qiáng)耦合區(qū)間。進(jìn)一步通過在器件上施加方波脈沖驅(qū)動(dòng)電子在量子點(diǎn)的不同能級(jí)間躍遷，并利用高靈敏微波諧振腔讀取出躍遷信號(hào)。利用該技術(shù)，課題組表征了雙量子點(diǎn)系統(tǒng)的能級(jí)譜圖，特別是利用信號(hào)對(duì)不同能級(jí)的響應(yīng)特性，給出了系統(tǒng)的自旋態(tài)占據(jù)信息。

 

郭國平教授研究組長期致力于半導(dǎo)體量子芯片的研究，此前于2021年2月在《Science Bulletin》上報(bào)道的工作展示了利用微波諧振腔實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體兩量子比特長程耦合，并開發(fā)了新的譜學(xué)方法快速表征系統(tǒng)的耦合參數(shù)。在此研究基礎(chǔ)上，此次利用微波諧振腔對(duì)量子比特能級(jí)譜和自旋態(tài)的高靈敏測量，為將來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子比特的高保真讀出提供了一種有效方法。

 

圖(a)半導(dǎo)體量子點(diǎn)-微波諧振腔復(fù)合器件的電子顯微鏡示意圖。紅色方框是多個(gè)金屬電極控制的半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)，藍(lán)色線條標(biāo)出的是微波諧振腔。圖(b)微波諧振腔探測的雙量子點(diǎn)激發(fā)態(tài)幅值譜。

 

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭國平教授、曹剛教授為論文共同通訊作者，博士生陳明博為論文第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。