中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)與本源量子計(jì)算有限公司合作，首次在硅基材料中成功實(shí)現(xiàn)共振交換量子比特（resonantexchange qubit, RX qubit）與高阻抗微波諧振腔的強(qiáng)耦合，耦合強(qiáng)度達(dá)到gs/(2π)=65.8 MHz，遠(yuǎn)超當(dāng)前基于微磁體的翻轉(zhuǎn)模式（flopping-mode）自旋量子比特體系的結(jié)果。該成果為實(shí)現(xiàn)全電控、可擴(kuò)展的硅基量子處理器和量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。研究成果以“Coupling between a Si/SiGe Resonant Exchange Qubit and a High-Impedance Microwave Resonator”于2025年10月10日發(fā)表于國際知名物理學(xué)術(shù)期刊Physical Review Letters，并被選為“編輯推薦（Editors’ Suggestion）”。

硅基自旋系統(tǒng)的單比特與兩比特門操作保真度已超過容錯(cuò)量子計(jì)算閾值，在構(gòu)建實(shí)用化量子芯片方面擁有巨大潛力。如何進(jìn)一步將自旋量子比特?cái)U(kuò)展至更大規(guī)模是當(dāng)前研究的重要課題。然而，基于鄰近耦合的傳統(tǒng)陣列擴(kuò)展方案布線復(fù)雜，且對(duì)局域噪聲敏感，是規(guī)模化的主要瓶頸之一。基于電路量子電動(dòng)力學(xué)（circuit quantum electrodynamics,cQED）實(shí)現(xiàn)比特間的長(zhǎng)程耦合為解決這一瓶頸提供了一種潛在的高效解決方案。自旋量子比特與微波光子達(dá)到強(qiáng)耦合區(qū)間是這一方案的前提和關(guān)鍵，由于電子自旋與光子之間的直接耦合很弱，通常需借助微磁體實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，但由此帶來頻率調(diào)諧較為困難、不易實(shí)現(xiàn)多比特陣列協(xié)同等挑戰(zhàn)。

(a)硅基三量子點(diǎn)與微波諧振腔雜化器件的偽色光學(xué)圖像。(b) 高阻抗超導(dǎo)氮化鈦諧振腔。

(c) 三量子點(diǎn)電極結(jié)構(gòu)的偽色掃描電子顯微鏡圖像。(d) 共振交換量子比特與諧振腔強(qiáng)耦合的真空拉比劈裂信號(hào)。

共振交換量子比特作為一種基于三量子點(diǎn)架構(gòu)的自旋量子比特，電偶極矩大，非常適合用于耦合微波諧振腔。特別是其無需外加微磁體即可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧和量子門的全電控操作，諧振腔易于同時(shí)與多個(gè)量子比特進(jìn)行耦合，有利于多比特集成與協(xié)同工作。在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用氮化鈦（TiN）材料制備了特征阻抗高達(dá)2.5 kΩ的高阻抗諧振腔，進(jìn)一步增強(qiáng)了量子比特和微波光子之間的耦合強(qiáng)度。通過精確調(diào)控三量子點(diǎn)中的電子數(shù)布居和能級(jí)結(jié)構(gòu)，在硅基體系中觀測(cè)到共振交換量子比特的能譜，比特與微波光子耦合強(qiáng)度達(dá)到gs/(2π)=65.8 MHz，超過了雙頻測(cè)量提取的退相干速率γs/(2π)=21.4 MHz，進(jìn)入強(qiáng)耦合區(qū)間。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還系統(tǒng)分析了可能影響共振交換量子比特退相干的因素，包括超精細(xì)相互作用、電子-聲子相互作用和電荷噪聲等。通過理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確認(rèn)電荷噪聲是當(dāng)前系統(tǒng)中最主要的退相干來源，為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能明確了方向。

該工作首次在硅基材料中實(shí)現(xiàn)共振交換量子比特與微波光子的強(qiáng)耦合，展示了其在全電控、可擴(kuò)展量子計(jì)算架構(gòu)中的潛力。量子信息實(shí)驗(yàn)室郭國平教授、曹剛特任教授以及宋驤驤特任研究員為論文共同通訊作者，博士生江順利和蔣天翼為共同第一作者。

此外，近期該團(tuán)隊(duì)在另一項(xiàng)發(fā)表于Physical Review Applied的工作中，通過深入研究TiN高阻抗微波諧振腔在磁場(chǎng)下的響應(yīng)，探討了磁性缺陷對(duì)諧振頻率、電荷噪聲的影響，指出了通過磁場(chǎng)調(diào)控進(jìn)一步優(yōu)化諧振腔、自旋比特性能的潛力，量子信息實(shí)驗(yàn)室曹剛特任教授、宋驤驤特任研究員為論文共同通訊作者，博士生黃子慶和葉澍坤為共同第一作者。

系列工作得到了合肥國家實(shí)驗(yàn)室、國家自然科學(xué)基金委、江蘇省等項(xiàng)目資助。

Physical Review Letters論文鏈接：

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

Physical Review Applied論文鏈接：

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

（量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、蘇州高等研究院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

新聞鏈接：https://news.ustc.edu.cn/info/1055/92907.htm

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