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光学工程
可同时实现快速操控和长相干时间的新型量子比特编码

与现代计算机一样,“量子芯片”是未来量子计算机的“大脑”。开发与现代半导体工艺兼容的电控量子芯片是量子计算机研制的重要方向之一。近期,中国科学技术大学郭国平教授等在砷化镓半导体量子芯片中成功实现量子相干特性好、操控速度快、可控性强的电控新型量子比特编码,研究成果发表Physical Review Letters [116, 082601(2016)]上。

该研究组致力于半导体量子芯片的开发,沿着电荷编码量子比特实现超快量子计算路线图,在先后实现电荷编码超快普适单量子比特逻辑门[Nature Communications 4, 1401(2013)]和两量子比特控制非逻辑门[Nature Communications 6, 7681(2015)]的基础上,继续探索延长电荷编码比特相干时间的新方法,在保证量子比特超快操控速度的同时,获得与自旋编码量子比特同样的长相干特性,实现量子比特超快操控与长相干时间兼得,从而解决在比特相干时间内尽可能多地完成量子操控这一核心问题。

该研究组利用半导体量子点的多电子轨道的非对称特性,首次在砷化镓半导体系统中实现了轨道杂化的新型量子比特,巧妙地将电荷量子比特超快特性与自旋量子比特的长相干特性融为一体,实现了“鱼”(超快操控)和“熊掌”(长相干)的兼得。实验结果表明,该新型量子比特与电荷量子比特类似,可在百皮秒内实现从0到1的超快量子翻转,而其量子相干性却比一般电荷编码量子比特提高近十倍。

该新型多电子轨道杂化实现量子比特编码和调控的方式具有很强的通用性,不仅适用于三五族半导体,并且能推广到硅锗等四族半导体甚至是石墨烯和TMDS等新型半导体。同时该工作对探索半导体中极性声子和压电效应对量子相干特性的影响提供了新思路。
 

能级结构及电子轨道填充示意图


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