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實驗室在新型量子比特編碼方面再取新進展。該實驗室郭國平教授研究組在半導(dǎo)體量子芯片中，創(chuàng)新性地引入第三個量子點作為控制參數(shù)，在保證新型雜化量子比特相干性的前提下，成功實現(xiàn)了量子比特能級的連續(xù)調(diào)節(jié)，極大地增強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算機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、核磁場等各種退相干機制，不同形式的編碼方式都有一定局限，比特的超快操控與長相干往往不可兼得。研究組于2016年利用量子點的非對稱性，構(gòu)建電子與自旋雜化態(tài)，首次在砷化鎵半導(dǎo)體雙量子點芯片中實現(xiàn)了量子相干特性好、操控速度快、可控性強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相干特性融為一體，實現(xiàn)了魚（超快操控）和熊掌（長相干）的兼得，將傳統(tǒng)電荷量子比特的品質(zhì)因子（相干時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可控性，研究人員將非對稱思想進一步運用到三量子點系統(tǒng)，將原有的雙量子點結(jié)構(gòu)擴展成線性耦合三量子點系統(tǒng)。研究者首先通過理論計算分析，驚喜地發(fā)現(xiàn)當(dāng)中間量子點與其兩側(cè)量子點耦合強度非對稱時，電子在雙量子點中演化的能級結(jié)構(gòu)可以被第三個量子點高效地“間接”調(diào)控。在實驗中，研究者首先通過半導(dǎo)體納米加工工藝精確地制備出非對稱耦合三量子點結(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結(jié)構(gòu)復(fù)雜性這一難題，構(gòu)造了具有準(zhǔn)平行能級的雜化量子比特。在保證比特相干時間的情況下，通過調(diào)節(jié)第三個量子點的電極電壓，清晰地觀察到比特能級在2 ~ 15 GHz 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

高效調(diào)控量子點系統(tǒng)能級是半導(dǎo)體量子計算領(lǐng)域的一個難點問題，該工作不僅為雜化量子比特的可控性問題提供了一個可能的解決方案，也為半導(dǎo)體量子計算提供一種新的調(diào)控思路。審稿人高度評價這個工作是基于自旋量子計算方面的一個重要進展，同時為多電子量子點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、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。

三量子點結(jié)構(gòu)示意圖：左側(cè)兩個量子點（紅色和藍色箭頭）構(gòu)成雜化量子比特，右側(cè)量子點（綠色箭頭）調(diào)節(jié)雜化量子比特能級間隔。

（中科院量子信息重點實驗室、量子信息和量子科技前沿創(chuàng)新中心、科研部）