中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊(duì)在微波諧振腔探測(cè)半導(dǎo)體量子芯片研究中取得重要進(jìn)展。該研究利用微波超導(dǎo)諧振腔，實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)的激發(fā)能譜測(cè)量。相關(guān)研究成果以Microwave-resonator-detected excited-state spectroscopy為題，發(fā)表在Physical Review Applied上。

　　半導(dǎo)體系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展可集成特性，被認(rèn)為是可能實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的體系之一。近年來(lái)硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算取得系列進(jìn)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(dá)到容錯(cuò)量子計(jì)算閾值，如何進(jìn)一步擴(kuò)展比特?cái)?shù)量、提高比特讀取保真度成為該領(lǐng)域的重要議題。

　　電路量子電動(dòng)力學(xué)以微波光子為媒介，不僅可用來(lái)實(shí)現(xiàn)比特間長(zhǎng)程耦合，還可用于對(duì)比特的非破壞性、高靈敏探測(cè)，是量子比特?cái)U(kuò)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(dǎo)體量子點(diǎn)復(fù)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(qiáng)度，達(dá)到強(qiáng)耦合區(qū)間。進(jìn)一步通過(guò)在器件上施加方波脈沖驅(qū)動(dòng)電子在量子點(diǎn)的不同能級(jí)間躍遷，并利用高靈敏微波諧振腔讀取出躍遷信號(hào)。利用該技術(shù)，研究人員表征了雙量子點(diǎn)系統(tǒng)的能級(jí)譜圖，特別是利用信號(hào)對(duì)不同能級(jí)的響應(yīng)特性，給出了系統(tǒng)的自旋態(tài)占據(jù)信息。

　　郭國(guó)平課題組長(zhǎng)期致力于半導(dǎo)體量子芯片的研究，此前于2021年2月在Science Bulletin上報(bào)道的工作展示了利用微波諧振腔實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體兩量子比特長(zhǎng)程耦合，并開(kāi)發(fā)出新的譜學(xué)方法快速表征系統(tǒng)的耦合參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，此次研究利用微波諧振腔對(duì)量子比特能級(jí)譜和自旋態(tài)的高靈敏測(cè)量，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授郭國(guó)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(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省以及中國(guó)科大的資助。

　　圖（a）半導(dǎo)體量子點(diǎn)-微波諧振腔復(fù)合器件的電子顯微鏡示意圖，紅色方框是多個(gè)金屬電極控制的半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)，藍(lán)色線條標(biāo)出的是微波諧振腔。圖（b）微波諧振腔探測(cè)的雙量子點(diǎn)激發(fā)態(tài)幅值譜