【資訊】實現(xiàn)耦合高度可調(diào)的二維硅基量子點陣列

2024-12-11 14:51:25

　　實現(xiàn)耦合高度可調(diào)的二維硅基量子點陣列

　　硅基半導(dǎo)體量子點以其較小的特征尺寸和與現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝的兼容性，具備大規(guī)模擴展量子比特數(shù)量的潛力，成為實現(xiàn)實用化量子計算和量子模擬的重要候選方案之一。近兩年來，硅基自旋量子比特在向容錯量子計算發(fā)展的過程中取得了重大進展，包括實現(xiàn)超過容錯閾值的單比特和雙比特量子門，以及基于線性陣列的多比特通用量子門操控。為了進一步推動硅基半導(dǎo)體量子計算的發(fā)展，實現(xiàn)量子比特的二維耦合擴展顯得尤為重要。然而，由于小尺寸帶來的制造挑戰(zhàn)以及實驗室平面工藝的局限性等因素，硅基量子點陣列的二維擴展研究進展緩慢。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊郭國平教授、王保傳特任副研究員與本源量子計算有限公司合作，成功研制出一種具有高度耦合可調(diào)的二維硅基量子點陣列，首次在硅量子點陣列中實現(xiàn)了對最近鄰以及次近鄰耦合的獨立大范圍調(diào)控。這一研究成果對推動硅基半導(dǎo)體量子計算研究具有重要意義。相關(guān)成果發(fā)表于Nano Letters。

　　首次實現(xiàn)了Rabi模型多臨界現(xiàn)象的量子模擬

　　在經(jīng)典熱力學(xué)中，三相點是指三種不同物質(zhì)狀態(tài)(如固、液、氣)共存的條件下的一種獨特狀態(tài)。在量子相變理論中，三相點則被定義是為一階量子相變和二階量子相變的交匯點。量子多臨界現(xiàn)象中蘊含著重要的量子相變機理，同時也為量子度量和量子材料領(lǐng)域提供了豐富的量子資源。在描述光和原子相互作用的Dicke模型或Rabi模型中，當獨立改變旋波項和反旋波項相互作用強度時，二維的耦合參數(shù)空間中存在一個Z2對稱性破缺和U1對稱性破缺相交的量子三相點。當該模型存在一定強度的玻色子耗散時，理論預(yù)言U1對稱性破缺的邊界和三相點將會同時分裂為兩個，此外體系中還會出現(xiàn)一些新的相區(qū)域。然而，這一重要的耗散誘導(dǎo)的量子多臨界機制一直未能得到有效的實驗驗證。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭新華教授團隊與華中科技大學(xué)呂新友教授團隊合作，通過發(fā)展開放量子體系的穩(wěn)態(tài)量子調(diào)控技術(shù)，首次在核磁共振量子模擬器上驗證了封閉和耗散Rabi模型中的量子多臨界現(xiàn)象，推動了開放體系量子相變以及非平衡穩(wěn)態(tài)量子模擬領(lǐng)域的發(fā)展。相關(guān)成果發(fā)表于Physical Review Letters。

　　雙場量子密鑰分發(fā)共纖傳輸架構(gòu)與方案

　　量子密鑰分發(fā)(QKD)技術(shù)，作為基于量子力學(xué)原理實現(xiàn)密鑰分發(fā)的新型技術(shù)，被視為未來信息安全傳輸?shù)幕?。雙場 QKD 則是利用單光子干涉原理、將成碼率與信道傳輸率由線性關(guān)系演變?yōu)槠椒礁P(guān)系，擴展了傳輸距離。然而，在共纖傳輸場景下，經(jīng)典信號對量子信號的干擾一直是制約雙場 QKD 發(fā)展的關(guān)鍵難題。

　　中國電信研究院孔維文、唐建軍等與北京郵電大學(xué)合作，提出了經(jīng)典通信與雙場量子密鑰分發(fā)(QKD)共纖傳輸架構(gòu)與方案，成功解決了經(jīng)典通信與雙場QKD共纖傳輸過程中噪聲干擾嚴重的難題。該成果具有高安全性、大容量以及遠距離傳輸?shù)葍?yōu)勢。相關(guān)成果發(fā)表于IEEE Journal of Lightwave Technology。

　　使用格點量子色動力學(xué)研究核子電極化率

　　核子(質(zhì)子和中子)是理解物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要對象。核子電極化率是描述核子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本物理量，它揭示了核子在外部電磁場下的響應(yīng)能力，可以通過康普頓散射過程測量。格點量子色動力學(xué)(格點QCD)從第一性原理出發(fā)，為研究核子極化率提供了強有力的工具。不過近20年的格點QCD計算獲得的核子電極化率均顯著低于實驗測量值。

　　北京大學(xué)馮旭教授、劉川教授團隊與美國康涅狄格大學(xué)合作，對這個疑難問題開展了系統(tǒng)研究。在物理的參數(shù)條件下，團隊利用國家超算天津中心提供的超級計算機對核子系統(tǒng)進行了模擬，最初得到的電極化率結(jié)果也是顯著偏低，與之前的格點研究一致。然后，團隊首次通過格點QCD模擬，對核子-π介子態(tài)在極化率計算中的作用進行了深入分析，發(fā)現(xiàn)這些態(tài)對質(zhì)子極化率貢獻約為60%，對中子極化率的貢獻甚至達到90%。在完善核子-π介子態(tài)的貢獻后，格點QCD給出的最終理論計算結(jié)果與實驗測量值達成一致。相關(guān)成果發(fā)表于Physical Review Letters。

　　鈣鈦礦半導(dǎo)體微腔中實現(xiàn)室溫光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)自旋電子學(xué)在信息編碼、存儲和傳輸領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。自旋霍爾效應(yīng)作為自旋電子學(xué)的重要現(xiàn)象，通過自旋-軌道耦合引導(dǎo)不同自旋方向的電子分離形成自旋流，從而開辟了基于自旋的電子器件研究的新方向。然而，由于室溫下電子散射帶來的快速退相干效應(yīng)，這種退相干效應(yīng)限制了自旋電子學(xué)在宏觀尺度的應(yīng)用。

　　北京量子信息科學(xué)研究院Sanjib Ghosh副研究員、清華大學(xué)熊啟華教授與西湖大學(xué)Alexey Kavokin教授合作，在有機-無機雜化鈣鈦礦甲脒鉛溴(FAPbBr3)微腔中實現(xiàn)了激子極化激元的室溫光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)。結(jié)果顯示，激子極化激元的自旋流在空間中傳播距離可達60um，且保持了長程的相干性。研究團隊進一步設(shè)計并展示了兩種新穎的激子極化激元自旋光子學(xué)器件——邏輯非門和自旋極化分束器。這些器件能夠在皮秒級時間內(nèi)實現(xiàn)全光控制，顯著提升了響應(yīng)速度，為未來超快自旋光學(xué)器件的研發(fā)提供了廣闊前景。

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