中国科大在半导体量子点中实现两自旋量子比特门操控

来源：中国科学技术大学时间：2025-03-07 05:30:44

中国科大郭光灿院士团队在半导体量子点量子比特门操控方面取得重要进展，该团队郭国平教授、李海欧教授与合作者以及本源量子等合作，在硅金属-氧化物-半导体(MOS)结构量子点体系中实现了高质量的两自旋量子比特交换门(SWAP)操作。研究成果以“SWAP Gate for Spin Qubits Based on Silicon Devices Integrated with a Micromagnet” 为题，于2月27日在线发表在国际知名学术期刊《纳米快报》（Nano Letters）上。

半导体量子点是实现可扩展量子计算的重要平台，因其良好的可集成性结合先进的半导体制造工艺而在各类量子计算体系中独具优势。然而，在该体系中实现高效的两自旋量子比特门操作仍然面临诸多挑战。在多种两自旋量子比特门操作中，电子自旋的相互作用受限于交换耦合强度、局域磁场噪声以及量子点的电荷噪声等，如何实现高保真度的两量子比特SWAP门操作一直是该领域的研究瓶颈之一。

近年来，李海欧教授课题组系统开展了基于硅MOS结构量子点体系的单自旋编码量子比特门操控研究。该工作的创新性在于，高效利用量子点中电场调控的斯塔克位移，结合精确设计的脉冲序列，实现了对两个相邻的单自旋量子比特之间交换相互作用的快速开关，从而实现了高保真度的两自旋量子比特SWAP门操作。实验结果表明，SWAP门的操作时间可以短到25纳秒，真值表计算操作保真度下限为82.3%。同时，研究团队通过分析SWAP门操控中的相位误差，并模拟其对电、磁噪声的敏感度，给出了基于硅基半导体量子点在实验上实现保真度超过99%的两量子比特SWAP门的操作方案。实验结果对在半导体量子点体系中稳定实现高保真度的两量子比特SWAP门操作具有重要指导意义，也为基于SWAP门操作实现量子态的远距离传输和多量子比特扩展与高保真度量子门操作奠定了坚实的实验基础。