中科大在微波谐振腔探测半导体量子芯片上取得重要进展

2021年05月08日

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。

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、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.044045