中國科大在微波諧振腔探測半導體量子芯片研究中獲進展

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在微波諧振腔探測半導體量子芯片研究中取得重要進展。該研究利用微波超導諧振腔，實現了對半導體雙量子點的激發能譜測量。相關研究成果以Microwave-resonator-detected excited-state spectroscopy為題，發表在Physical Review Applied上。

　　半導體系統具有良好的可擴展可集成特性，被認為是可能實現通用量子計算的體系之一。近年來硅基半導體量子計算取得系列進展，量子比特性能得到大幅提升，單比特和兩比特邏輯門保真度均已達到容錯量子計算閾值，如何進一步擴展比特數量、提高比特讀取保真度成為該領域的重要議題。

　　電路量子電動力學以微波光子為媒介，不僅可用來實現比特間長程耦合，還可用于對比特的非破壞性、高靈敏探測，是量子比特擴展和讀出的一種重要方案。該工作中，研究人員制備出鈮鈦氮微波諧振腔-半導體量子點復合器件，利用鈮鈦氮的高阻抗特性，大幅提高了微波諧振腔與量子比特的耦合強度，達到強耦合區間。進一步通過在器件上施加方波脈沖驅動電子在量子點的不同能級間躍遷，并利用高靈敏微波諧振腔讀取出躍遷信號。利用該技術，研究人員表征了雙量子點系統的能級譜圖，特別是利用信號對不同能級的響應特性，給出了系統的自旋態占據信息。

　　郭國平課題組長期致力于半導體量子芯片的研究，此前于2021年2月在Science Bulletin上報道的工作展示了利用微波諧振腔實現半導體兩量子比特長程耦合，并開發出新的譜學方法快速表征系統的耦合參數。在此基礎上，此次研究利用微波諧振腔對量子比特能級譜和自旋態的高靈敏測量，為將來實現半導體量子比特的高保真讀出提供了一種有效方法。

　　中科院量子信息重點實驗室教授郭國平和曹剛為論文的共同通訊作者，博士生陳明博為論文第一作者。研究工作獲得科學技術部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省以及中國科大的資助。

　　圖（a）半導體量子點-微波諧振腔復合器件的電子顯微鏡示意圖，紅色方框是多個金屬電極控制的半導體雙量子點，藍色線條標出的是微波諧振腔。圖（b）微波諧振腔探測的雙量子點激發態幅值譜