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2022年学术进展系列之50:我院量子信息团队在基于半导体量子器件的量子计算研究上取得重要进展
2022-09-15 16:01  

近期我院量子信息与量子通信团队与华南师范大学、香港城市大学相关研究团队合作,在基于半导体量子器件的量子计算取得重要进展,以电荷量子比特与超导谐振腔的共振及失谐耦合Coupling two charge qubits via a superconducting resonator operating in the resonant and dispersive regimes)为题被Nature Index期刊《Physical Review A》杂志接收发表。

半导体量子点量子器件被广泛认为是实现通用量子计算的重要候选平台,有望结合现代成熟的半导体工艺,实现量子比特的大规模扩展。基于半导体量子点的量子比特,其基本原理为:利用半导体量子器件刻蚀的门控电极将单电子囚禁在电势阱中形成电子气,并进一步对电子的自旋或电荷自由度进行调控来实现量子比特的设计。电荷量子比特(Charge qubits)是一种常见的基于半导体单量子点的量子比特。电荷量子比特量子逻辑门操作具有耦合强度大、门操作时间短的优良特征。另一方面,基于传统单量子点设计的电荷量子比特,其在量子门的实现过程中很容易遭受量子器件衬底中电荷噪声的影响,导致量子相干性较低及逻辑门操作保真度不高。特别地,在执行两比特量子门的过程中,不同量子门通过量子点的电容耦合实现连接,电荷噪声的问题变得尤为突出,现有实验保真度往往低于90%,无法满足容错量子计算的阈值要求。因此如何进一步优化电荷噪声的影响尤为关键。

 

 

针对上述半导体量子点量子器件的电荷噪声优化调控问题,我们提出了一种基于三量子点设计的电荷量子比特。研究发现,将单电子囚禁在一个线性的三量子点电势阱之中(图a)形成的量子比特,单比特及两比特量子门均可以工作在对噪声不敏感的甜点”(sweet spots)区域,获得高保真度的量子门操作。为了实现两比特量子门操作,我们还进一步设计了不同电荷比特与超导谐振腔的耦合(图c),利用谐振腔的滤波作用,电荷噪声可以进一步得到削弱。对于量子点-超导腔系统的共振及失谐区域,我们分别设计了两种经典的两比特量子门,即,“iSWAP”量子门及和乐量子门,理论计算表明,在现有噪声水平下,两种逻辑门的保真度均超过99%

我们的研究成果为实现高保真度的电荷量子比特提供了新的有益思路。

论文作者:张程贤,陈国轩(香港城市大学),薛正远(华南师范大学),王欣(香港城市大学)。

论文链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.106.032608

 

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