中科大郭光灿院士团队实现半导体三量子比特逻辑门

中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在半导体量子比特扩展方面再获新进展：该实验室半导体量子芯片研究组郭国平教授与其同事肖明、李海欧和曹刚等人创新性地设计并制备了半导体六量子点芯片，并在实验上实现了三量子比特的Toffoli门操控。这是国际上首个在半导体量子点体系中实现的三量子比特逻辑门，为未来集成化半导体量子芯片的研制奠定了坚实基础。相关成果发表在2月15日出版的应用物理权威期刊《Physical Review Applied》上。

开发与现代半导体工艺兼容的半导体全电控量子芯片是量子计算机研制的重要方向之一。半导体量子点量子比特的制备、操控和多比特扩展是该研究方向的核心任务。郭国平研究组长期致力于半导体量子芯片的开发，目标是掌握半导体量子芯片制备与操控的核心工艺技术，先后于2013年实现了半导体量子点单电荷量子比特超快普适量子逻辑门(Nature Communications. 4:1401 (2013))，2015年实现了半导体量子点两电荷量子比特的控制非逻辑门(Nature Communications. 6:7681 (2015))，并以此构建了基于半导体电荷量子比特的单比特和两比特逻辑门单元库。

三量子比特Toffoli门由两个控制比特和一个目标比特构成，目标比特的量子态受控于两个控制比特的量子态，是量子计算研究中一个普适的量子逻辑门。Toffoli门是构建量子纠错码的关键元素之一，用单比特门和两比特门组合来构建三量子比特Toffoli门需要多达六个两比特控制非门和十个单比特门，因此一次性构建三量子比特Toffoli门可以大幅减少量子比特门操控的次数，突破现有退相干时间的限制，进一步提高量子计算的效率。研究者通过理论计算分析，设计了T型电极开口式六量子点结构，该结构使得控制比特与目标比特有较强的耦合，同时两个控制比特之间的耦合较小，很好地满足了实现两个控制比特对目标比特受控非门的操控要求，利用优化设计的高频脉冲量子测控电路，成功实现了世界上第一个基于半导体量子点体系的三电荷量子比特Toffoli逻辑门，为可扩展、可集成化半导体量子芯片的研制奠定了坚实的基础。

审稿人高度评价该工作是基于半导体量子点量子计算方面的一个重要进展，认为“这项工作详细、清楚地表明了高水平的实验技术，并将给从事全电控量子点量子计算研究领域的科研工作者带来极高的研究兴趣。”（“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”）

该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的资助。