中國科大在半導體量子點中實現(xiàn)保真度超99.9%的量子門操控

中國科大郭光燦院士團隊在半導體量子比特門操控方面取得重要進展。該團隊郭國平教授、李海歐教授與本源量子等合作，在鍺硅異質結結構半導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，為構建大規(guī)模容錯量子計算處理器提供了關鍵技術。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。 :61Tun  
半導體量子點憑借其兼容成熟半導體制造工藝的可集成性，已成為實現(xiàn)可擴展量子計算的重要平臺。基于鍺硅異質結結構（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)全電學操控而受到國內外科研團隊的廣泛關注。然而，隨著量子比特數(shù)目的增多，半導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。 Cl;oi}L  
與傳統(tǒng)量子門依賴動力學相位累積不同，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)境誘導的退相干等特定類型噪聲具有天然抵抗性。研究團隊采用門集層析技術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。 :W!7mna  
為了全面評估幾何量子門的性能優(yōu)勢，研究團隊對傳統(tǒng)動力學門和新型幾何量子門進行了系統(tǒng)性對比測試。結果顯示，傳統(tǒng)動力學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%的高性能標準存在明顯差距。相比之下，幾何量子門在大工作范圍內展現(xiàn)出穩(wěn)定的抗噪聲能力。在較寬的拉比頻率范圍內，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到99.98%、99.80%和99.97%，均達到國際先進水平。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保持穩(wěn)定的高性能，這種“可復現(xiàn)”性對大規(guī)模量子計算處理器的實現(xiàn)具有重要意義。 I`-8Air5f  
在噪聲魯棒性驗證實驗中，研究團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，幾何量子門的操作保真度始終顯著高于傳統(tǒng)動力學門。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用場景中具備有效的噪聲抵抗能力，可顯著降低頻繁校準的需求。 O#:$^#j&