中國(guó)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)室在新型量子比特編碼方面取得重要進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室郭國(guó)平研究組及合作者首次在砷化鎵半導(dǎo)體量子芯片中成功實(shí)現(xiàn)量子相干特性好、操控速度快、可控性強(qiáng)的電控新型編碼量子比特，研究成果發(fā)表在2月25日出版的國(guó)際權(quán)威雜志《物理評(píng)論快報(bào)》上。

與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一樣，“量子芯片”是未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的“大腦”。開(kāi)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(jì)算機(jī)研制的重要方向之一。該研究組致力于半導(dǎo)體量子芯片的開(kāi)發(fā)，沿著電荷編碼量子比特實(shí)現(xiàn)超快量子計(jì)算路線圖，在先后實(shí)現(xiàn)電荷編碼超快普適單量子比特邏輯門(mén)[Nature Communications 4, 1401(2013)]和兩量子比特控制非邏輯門(mén)[Nature Communications 6, 7681(2015)]的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索延長(zhǎng)電荷編碼比特相干時(shí)間的新方法，在保證量子比特超快操控速度的同時(shí)，獲得與自旋編碼量子比特同樣的長(zhǎng)相干特性，實(shí)現(xiàn)量子比特超快操控與長(zhǎng)相干時(shí)間兼得，從而解決在比特相干時(shí)間內(nèi)盡可能多地完成量子操控這一核心問(wèn)題。

該研究組利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)的多電子態(tài)軌道的非對(duì)稱(chēng)特性，首次在砷化鎵半導(dǎo)體系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)相干特性融為一體，實(shí)現(xiàn)了“魚(yú)”（超快操控）和“熊掌”（長(zhǎng)相干）的兼得。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型量子比特與電荷量子比特類(lèi)似，可在百皮秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)從0到1的超快量子翻轉(zhuǎn)，而其量子相干性卻比一般電荷編碼量子比特提高近十倍?！?/p>

該新型多電子軌道雜化實(shí)現(xiàn)量子比特編碼和調(diào)控的方式具有很強(qiáng)的通用性，不僅適用于三五族半導(dǎo)體，并且能推廣到硅鍺等四族半導(dǎo)體甚至是石墨烯和TMDS等新型半導(dǎo)體。同時(shí)該工作對(duì)探索半導(dǎo)體中極性聲子和壓電效應(yīng)對(duì)量子相干特性的影響提供了新思路。審稿人高度評(píng)價(jià)本工作在多個(gè)方面取得了新的突破（“This paper breaks new ground in several areas ”）。

該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。

能級(jí)結(jié)構(gòu)及電子軌道填充示意圖

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心、科研部）