中国科大在硅基材料中成功实现共振交换量子比特与微波光子的强耦合

　　中国科年夜郭光灿院士团队正在硅基半导体量子计较范畴取患上重要进展。该团队与根源量子计较有限公司互助，初次正在硅基资料中胜利完成共振互换量子比特（resonantexchange qubit, RX qubit）与高阻抗微波谐振腔的强耦合，耦合强度到达gs/(2π)=65.8 MHz，远超以后基于微磁体的翻转模式（flopping-mode）自旋量子比特系统的成果。该结果为完成全电控、可扩大的硅基量子处置惩罚器以及量子收集奠基了根蒂根基。研究结果以“Coupling between a Si/SiGe Resonant Exchange Qubit and a High-Impedance Microwave Resonator”于2025年10月10日颁发于国际出名物理学术期刊Physical Review Letters，并当选为“编纂保举（Editors’ Suggestion）”。

　　硅基自旋体系的单比特与两比特门操作保真度已凌驾容错量子计较阈值，正在构建实用化量子芯片方面领有伟大后劲。怎样进一步将自旋量子比特扩大至更年夜范围是以后研究的重要课题。然而，基于临近耦合的传统阵列扩大方案布线庞大，且对局域噪声敏感，是范围化的首要瓶颈之一。基于电路量子电能源学（circuit quantum electrodynamics, cQED）完成比特间的长程耦合为解决这一瓶颈供给了一种潜正在的高效解决方案。自旋量子比特与微波光子到达强耦合区间是这一方案的条件以及要害，因为电子自旋与光子之间的间接耦合很弱，凡是需借助微磁体完成强耦合，但由此带来频次调谐较为坚苦、不容易完成多比特阵列协划一应战。

　　(a) 硅基三量子点与微波谐振腔杂化器件的伪色光学图象。(b) 高阻抗超导氮化钛谐振腔。(c) 三量子点电极布局的伪色扫描电子显微镜图象。(d) 共振互换量子比特与谐振腔强耦合的真空拉比劈裂旌旗灯号。

　　共振互换量子比特作为一种基于三量子点架构的自旋量子比特，电偶极矩年夜，很是合适用于耦合微波谐振腔。出格是其无需外加微磁体便可完成频次调协调量子门的全电控操作，谐振腔易于同时与多个量子比特举行耦合，无利于多比特集成与协同事情。正在该事情中，研究团队哄骗氮化钛（TiN）资料制备了特性阻抗高达2.5 kΩ的高阻抗谐振腔，进一步加强了量子比特以及微波光子之间的耦合强度。经由过程准确调控三量子点中的电子数布居以及能级布局，正在硅基系统中观测到共振互换量子比特的能谱，比特与微波光子耦合强度到达gs/(2π)=65.8 MHz，凌驾了双频丈量提取的退相关速度γs/(2π)=21.4 MHz，进入强耦合区间。正在此根蒂根基上，研究团队还体系阐发了可能影响共振互换量子比特退相关的要素，包含超精致彼此作用、电子-声子彼此作用以及电荷噪声等。经由过程实践与试验比照，确认电荷噪声是以后体系中最首要的退相关来历，为进一步优化器件机能明确了标的目的。

　　该事情初次正在硅基资料中完成共振互换量子比特与微波光子的强耦合，展示了其正在全电控、可扩大量子计较架构中的后劲。量子信息试验室郭国平传授、曹刚特任传授和宋骧骧特任研究员为论文配合通信作者，博士生江顺遂以及蒋天翼为配合第一作者。

　　此外，近期该团队正在另外一项颁发于Physical Review Applied的事情中，经由过程深切研究TiN高阻抗微波谐振腔正在磁场下的相应，切磋了磁性缺陷对谐振频次、电荷噪声的影响，指出了经由过程磁场调控进一步优化谐振腔、自旋比特征能的后劲，量子信息试验室曹刚特任传授、宋骧骧特任研究员为论文配合通信作者，博士生黄子庆以及叶澍坤为配合第一作者。

　　系列事情获得了合胖国度试验室、国度天然迷信基金委、江苏省等名目赞助。

Physical Review Letters论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/31wk-5yqp

Physical Review Applied论文链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/5k9f-7gc7