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中國科學(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)室在半導(dǎo)體量子比特?cái)U(kuò)展方面再獲新進(jìn)展：該實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體量子芯片研究組郭國平教授與其同事肖明、李海歐和曹剛等人創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制備了半導(dǎo)體六量子點(diǎn)芯片，并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了三量子比特的Toffoli門操控。這是國際上首個(gè)在半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系中實(shí)現(xiàn)的三量子比特邏輯門，為未來集成化半導(dǎo)體量子芯片的研制奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在2月15日出版的應(yīng)用物理權(quán)威期刊《Physical Review Applied》上。 開發(fā)與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝兼容的半導(dǎo)體全電控量子芯片是量子計(jì)算機(jī)研制的重要方向之一。半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子比特的制備、操控和多比特?cái)U(kuò)展是該研究方向的核心任務(wù)。郭國平研究組長期致力于半導(dǎo)體量子芯片的開發(fā)，目標(biāo)是掌握半導(dǎo)體量子芯片制備與操控的核心工藝技術(shù)，先后于2013年實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體量子點(diǎn)單電荷量子比特超快普適量子邏輯門(Nature Communications. 4:1401 (2013))，2015年實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體量子點(diǎn)兩電荷量子比特的控制非邏輯門(Nature Communications. 6:7681 (2015))，并以此構(gòu)建了基于半導(dǎo)體電荷量子比特的單比特和兩比特邏輯門單元庫。 三量子比特Toffoli門由兩個(gè)控制比特和一個(gè)目標(biāo)比特構(gòu)成，目標(biāo)比特的量子態(tài)受控于兩個(gè)控制比特的量子態(tài)，是量子計(jì)算研究中一個(gè)普適的量子邏輯門。Toffoli門是構(gòu)建量子糾錯(cuò)碼的關(guān)鍵元素之一，用單比特門和兩比特門組合來構(gòu)建三量子比特Toffoli門需要多達(dá)六個(gè)兩比特控制非門和十個(gè)單比特門，因此一次性構(gòu)建三量子比特Toffoli門可以大幅減少量子比特門操控的次數(shù)，突破現(xiàn)有退相干時(shí)間的限制，進(jìn)一步提高量子計(jì)算的效率。研究者通過理論計(jì)算分析，設(shè)計(jì)了T型電極開口式六量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得控制比特與目標(biāo)比特有較強(qiáng)的耦合，同時(shí)兩個(gè)控制比特之間的耦合較小，很好地滿足了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制比特對(duì)目標(biāo)比特受控非門的操控要求，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的高頻脈沖量子測控電路，成功實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系的三電荷量子比特Toffoli邏輯門，為可擴(kuò)展、可集成化半導(dǎo)體量子芯片的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 審稿人高度評(píng)價(jià)該工作是基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子計(jì)算方面的一個(gè)重要進(jìn)展，認(rèn)為“這項(xiàng)工作詳細(xì)、清楚地表明了高水平的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并將給從事全電控量子點(diǎn)量子計(jì)算研究領(lǐng)域的科研工作者帶來極高的研究興趣。”（“The work is detailed and clearly demonstrates a high level of experimental technique and would be of high interest to people working in the field of electrostatically defined quantum dots for quantum computation”） 該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。 |
