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光學工程
可同時實現快速操控和長相干時間的新型量子比特編碼

與現代計算機一樣,“量子芯片”是未來量子計算機的“大腦”。開發與現代半導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。近期,中國科學技術大學郭國平教授等在砷化鎵半導體量子芯片中成功實現量子相干特性好、操控速度快、可控性強的電控新型量子比特編碼,研究成果發表Physical Review Letters [116, 082601(2016)]上。

該研究組致力于半導體量子芯片的開發,沿著電荷編碼量子比特實現超快量子計算路線圖,在先后實現電荷編碼超快普適單量子比特邏輯門[Nature Communications 4, 1401(2013)]和兩量子比特控制非邏輯門[Nature Communications 6, 7681(2015)]的基礎上,繼續探索延長電荷編碼比特相干時間的新方法,在保證量子比特超快操控速度的同時,獲得與自旋編碼量子比特同樣的長相干特性,實現量子比特超快操控與長相干時間兼得,從而解決在比特相干時間內盡可能多地完成量子操控這一核心問題。

該研究組利用半導體量子點的多電子軌道的非對稱特性,首次在砷化鎵半導體系統中實現了軌道雜化的新型量子比特,巧妙地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,實現了“魚”(超快操控)和“熊掌”(長相干)的兼得。實驗結果表明,該新型量子比特與電荷量子比特類似,可在百皮秒內實現從0到1的超快量子翻轉,而其量子相干性卻比一般電荷編碼量子比特提高近十倍。

該新型多電子軌道雜化實現量子比特編碼和調控的方式具有很強的通用性,不僅適用于三五族半導體,并且能推廣到硅鍺等四族半導體甚至是石墨烯和TMDS等新型半導體。同時該工作對探索半導體中極性聲子和壓電效應對量子相干特性的影響提供了新思路。
 

能級結構及電子軌道填充示意圖


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