中國科大郭光燦院士團(tuán)隊在半導(dǎo)體量子比特門操控方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊郭國平教授、李海歐教授與本源量子等合作，在鍺硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體量子點體系中實現(xiàn)了保真度超過99.9%的幾何量子門操作，為構(gòu)建大規(guī)模容錯量子計算處理器提供了關(guān)鍵技術(shù)。研究成果以“High-fidelity geometric quantum gates exceeding 99.9% in germanium quantum dots” 為題，于8月26日在線發(fā)表在國際知名期刊《自然通訊》上。

半導(dǎo)體量子點憑借其兼容成熟半導(dǎo)體制造工藝的可集成性，已成為實現(xiàn)可擴(kuò)展量子計算的重要平臺。基于鍺硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（2DHG）的量子點因其超高的空穴載流子遷移率和超強的自旋軌道耦合等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)全電學(xué)操控而受到國內(nèi)外科研團(tuán)隊的廣泛關(guān)注。然而，隨著量子比特數(shù)目的增多，半導(dǎo)體量子計算正步入中等規(guī)模含噪聲量子（NISQ）時代。在大規(guī)模量子比特陣列中，不同比特面臨的噪聲環(huán)境差異巨大，亟需開發(fā)高保真度、強噪聲魯棒性的量子比特操作方案。

與傳統(tǒng)量子門依賴動力學(xué)相位累積不同，幾何量子門通過參數(shù)空間中演化路徑的幾何形狀來確定幾何相位，幾何相位具有全局特征，對局部演化路徑上的噪聲擾動和環(huán)境誘導(dǎo)的退相干等特定類型噪聲具有天然抵抗性。研究團(tuán)隊采用門集層析技術(shù)識別出比特頻率偏移噪聲和拉比頻率噪聲兩類主要噪聲源，并確定前者是影響量子門操作保真度的核心因素。基于此發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊采用針對這兩類噪聲的理論優(yōu)化方案，實現(xiàn)了高保真度的幾何量子門操控。

為了全面評估幾何量子門的性能優(yōu)勢，研究團(tuán)隊對傳統(tǒng)動力學(xué)門和新型幾何量子門進(jìn)行了系統(tǒng)性對比測試。結(jié)果顯示，傳統(tǒng)動力學(xué)門在拉比頻率增大時操作保真度提升但逐漸飽和，此時單量子比特門（I門）的保真度仍與99%的高性能標(biāo)準(zhǔn)存在明顯差距。相比之下，幾何量子門在大工作范圍內(nèi)展現(xiàn)出穩(wěn)定的抗噪聲能力。在較寬的拉比頻率范圍內(nèi)，其操作保真度始終保持在99%的容錯量子計算閾值之上。更為重要的是， I門、X/2門、Y/2門的最高保真度分別達(dá)到99.98%、99.80%和99.97%，均達(dá)到國際先進(jìn)水平。這一出色表現(xiàn)充分證明了，幾何量子門不僅在單一工作點表現(xiàn)優(yōu)異，更在大的工作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的高性能，這種“可復(fù)現(xiàn)”性對大規(guī)模量子計算處理器的實現(xiàn)具有重要意義。

在噪聲魯棒性驗證實驗中，研究團(tuán)隊通過人工添加不同強度的比特頻率偏移噪聲，系統(tǒng)模擬了實際量子比特可能遇到的噪聲干擾。在實驗研究的噪聲范圍內(nèi)，幾何量子門的操作保真度始終顯著高于傳統(tǒng)動力學(xué)門。即使在±2.5 MHz（±1.2 MHz）的比特頻率偏移噪聲擾動下，幾何量子門X/2門和Y/2門（I門）的保真度仍能穩(wěn)定保持在99%之上。這一噪聲容忍范圍與實驗環(huán)境中的噪聲水平吻合，充分表明幾何量子門方案在真實應(yīng)用場景中具備有效的噪聲抵抗能力，可顯著降低頻繁校準(zhǔn)的需求。

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圖1. (a)傳統(tǒng)動力學(xué)門在不同工作條件下的操作保真度。(b) 幾何量子門的路徑示意圖。(c) 幾何量子門在不同工作條件下的操作保真度。對比(a)和(c)發(fā)現(xiàn)，隨著在拉比頻率增大，傳統(tǒng)動力學(xué)門操作保真度有所提升但逐漸飽和，幾何量子門的操作保真度始終穩(wěn)定保持在99%之上。 (d)-(f) 人工添加不同強度的比特頻率偏移噪聲后，傳統(tǒng)動力學(xué)門與幾何量子門性能對比。幾何量子門的保真度始終顯著高于傳統(tǒng)動力學(xué)門，且隨著噪聲增大，動力學(xué)門的操作保真度下降更明顯。

在大規(guī)模量子比特陣列中，頻繁的比特校準(zhǔn)不僅消耗大量的資源，還可能引入額外的誤差。幾何量子門的強噪聲魯棒性有望大幅減少比特的校準(zhǔn)需求，為構(gòu)建大規(guī)模量子處理器節(jié)約關(guān)鍵資源。

量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點實驗室博士生周雨晨為論文第一作者。李海歐教授、王桂磊研究員和郭國平教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了合肥國家實驗室、國家基金委、安徽省和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63241-4