中国科大在半导体量子点中实现保真度超99.9%的量子门操控

　　中国科年夜郭光灿院士团队正在半导体量子比特门操控方面取患上重要进展。该团队郭国平传授、李海欧传授与根源量子等互助，正在锗硅异质结布局半导体量子点系统中完成了保真度凌驾99.9%的几何量子门操作，为构建年夜范围容错量子计较处置惩罚器供给了要害技能。研究结果以“High-fidelity geometric quantum gates exceeding 99.9% in germanium quantum dots” 为题，于8月26日正在线颁发正在国际出名期刊《天然通信》上。

　　半导体量子点依附其兼容成熟半导体系体例造工艺的可集成性，已成为完成可扩大量子计较的重要平台。基于锗硅异质结布局（2DHG）的量子点因其超高的空穴载流子迁徙率以及超强的自旋轨道耦合等上风，可以完成全电学操控而遭到海内内科研团队的普遍存眷。然而，跟着量子比特数量的增多，半导体量子计较正步入中等范围含噪声量子（NISQ）时代。正在年夜范围量子比特阵列中，没有同比特面对的噪声情况差别伟大，亟需开发高保真度、强噪声鲁棒性的量子比特操作方案。

　　与传统量子门依赖能源学相位累积没有同，几何量子门经由过程参数空间中演变路径的几何外形来肯定几何相位，几何相位具备全局特性，对部分演变路径上的噪声扰动以及情况诱导的退相关等特定类型噪声具备自然抵当性。研究团队采纳门集层析技能辨认出比特频次偏移噪声以及拉比频次噪声两类首要噪声源，并肯定前者是影响量子门操作保真度的焦点要素。基于此发明，团队采纳针对这两类噪声的实践优化方案，完成了高保真度的几何量子门操控。

　　为了周全评价几何量子门的机能上风，研究团队对传统能源学门以及新型几何量子门举行了体系性比照测试。成果显示，传统能源学门正在拉比频次增年夜时操作保真度晋升但逐渐饱以及，此时单量子比特门（I门）的保真度仍与99%的高机能尺度存正在较着差距。相比之下，几何量子门正在年夜事情规模内揭示出波动的抗噪声才能。正在较宽的拉比频次规模内，其操作保真度始终坚持正在99%的容错量子计较阈值之上。更为重要的是， I门、X/2门、Y/2门的最高保真度划分到达99.98%、99.80%以及99.97%，均到达国际进步前辈程度。这一超卓表示充实证实了，几何量子门不只正在繁多事情点表示优秀，更正在年夜的事情规模内坚持波动的高机能，这类“可复现”性对年夜范围量子计较处置惩罚器的完成具备重要意思。

　　正在噪声鲁棒性验证明验中，研究团队经由过程人工增添没有同强度的比特频次偏移噪声，体系摹拟了现实量子比特可能碰到的噪声滋扰。正在试验研究的噪声规模内，几何量子门的操作保真度始终显著高于传统能源学门。纵然正在±2.5 MHz（±1.2 MHz）的比特频次偏移噪声扰动下，几何量子门X/2门以及Y/2门（I门）的保真度仍能波动坚持正在99%之上。这一噪声容忍规模与试验情况中的噪声程度吻合，充实标明几何量子门方案正在真实使用场景中具有有用的噪声抵当才能，可显著升高频仍校准的需要。

　　图1. (a)传统能源学门正在没有同事情前提下的操作保真度。(b) 几何量子门的路径示用意。(c) 几何量子门正在没有同事情前提下的操作保真度。比照(a)以及(c)发明，跟着正在拉比频次增年夜，传统能源学门操作保真度有所晋升但逐渐饱以及，几何量子门的操作保真度始终波动坚持正在99%之上。 (d)-(f) 人工增添没有同强度的比特频次偏移噪声后，传统能源学门与几何量子门机能比照。几何量子门的保真度始终显著高于传统能源学门，且跟着噪声增年夜，能源学门的操作保真度降落更较着。

　　正在年夜范围量子比特阵列中，频仍的比特校准不只耗损年夜量的资本，还可能引入分外的误差。几何量子门的强噪声鲁棒性无望年夜幅削减比特的校准需要，为构建年夜范围量子处置惩罚器勤俭要害资本。

　　量子收集安徽省重点试验室博士生周雨晨为论文第一作者。李海欧传授、王桂磊研究员以及郭国平传授为论文的配合通信作者。该事情获得了合胖国度试验室、国度基金委、安徽省以及中国迷信技能年夜学的赞助。

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63241-4