中國科大實現半導體三量子比特邏輯門

中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在半導體量子比特擴展方面再獲新進展：該實驗室半導體量子晶元研究組郭國平教授與其同事肖明、李海歐和曹剛等人創新性地設計並製備了半導體六量子點晶元，並在實驗上實現了三量子比特的Toffoli門操控。這是國際上首個在半導體量子點體系中實現的三量子比特邏輯門，為未來集成化半導體量子晶元的研製奠定了堅實基礎。相關成果發表在2月15日出版的應用物理權威期刊Physical Review Applied上。

開發與現代半導體工藝兼容的半導體全電控量子晶元是量子計算機研製的重要方向之一。半導體量子點量子比特的製備、操控和多比特擴展是該研究方向的核心任務。郭國平研究組長期致力於半導體量子晶元的開發，目標是掌握半導體量子晶元製備與操控的核心工藝技術，先後於2013年實現了半導體量子點單電荷量子比特超快普適量子邏輯門(Nature Communications. 4:1401 (2013))，2015年實現了半導體量子點兩電荷量子比特的控制非邏輯門(Nature Communications. 6:7681 (2015))，並以此構建了基於半導體電荷量子比特的單比特和兩比特邏輯門單元庫。

三量子比特Toffoli門由兩個控制比特和一個目標比特構成，目標比特的量子態受控於兩個控制比特的量子態，是量子計算研究中一個普適的量子邏輯門。Toffoli門是構建量子糾錯碼的關鍵元素之一，用單比特門和兩比特門組合來構建三量子比特Toffoli門需要多達六個兩比特控制非門和十個單比特門，因此一次性構建三量子比特Toffoli門可以大幅減少量子比特門操控的次數，突破現有退相干時間的限制，進一步提高量子計算的效率。研究者通過理論計算分析，設計了T型電極開口式六量子點結構，該結構使得控制比特與目標比特有較強的耦合，同時兩個控制比特之間的耦合較小，很好地滿足了實現兩個控制比特對目標比特受控非門的操控要求，利用優化設計的高頻脈衝量子測控電路，成功實現了世界上第一個基於半導體量子點體系的三電荷量子比特Toffoli邏輯門，為可擴展、可集成化半導體量子晶元的研製奠定了堅實的基礎。

審稿人高度評價該工作是基於半導體量子點量子計算方面的一個重要進展，認為「這項工作詳細、清楚地表明了高水平的實驗技術，並將給從事全電控量子點量子計算研究領域的科研工作者帶來極高的研究興趣。」（「The work is detailed and clearly demonstrates a high level of experimental technique and would be of high interest to people working in the field of electrostatically defined quantum dots for quantum computation」）

該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的資助。

三量子比特結構示意圖：左側雙量子點是目標比特，右側雙量子點和下面雙量子點各自構成一個控制比特去操控目標比特（和表示量子比特的兩種狀態）。

來源：中國科學技術大學

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