半导体量子点与超导Transmon量子比特耦合系统的相干性研究

Semiconductor quantum dot and superconducting Josephson junction are two promising solid state physical architecture prepared for large scale quantum computation. Semiconductor quantum dot qubit possesses the advantages of conveniently tuned qubit parameters, compatibility with the modern large scale integrated circuits technology and suitable for scaling. While the superconducting qubit can be easily manipulated and have a high manipulation and readout fidelity. The proposal we present here will focus on the hybrid system of semiconductor quantum dot and superconducting Transmon qubit. Through combining the nano-fabrication process of this two systems, we aim to develop a reliable fabrication procedure compatible for different solid state system. Based on that, we propose to build a coupled system of semiconductor and superconducting qubit, utilizing the high impedance microwave resonator as an intermediate. We will construct a joint measurement system containing the different features of these two systems to characterize the coherence property of each qubit, and to investigate the variation of the dephasing mechanism of the coupled system. In the end, we will explore the possibility of realizing information exchange between these two systems and the compatibility of different solid state quantum computation systems.

量子计算研究在近十年得到了快速发展，半导体量子点和超导约瑟夫森结两种固态体系被认为是最有可能实现大规模量子计算的物理架构之一。半导体量子点量子比特的优势在于比特参数易于调节，且与现代大规模集成电路工艺兼容，易于扩展。而超导量子比特的优势则在于操控简单，保真度较高。本项目将围绕半导体量子点和超导Transmon量子比特的复合系统，结合两种体系的纳米加工工艺流程，发展出可靠的能够兼容不同固态体系的工艺方法。并以此为基础，利用高阻抗微波谐振腔作为桥梁，构造出两种固态体系的耦合结构。通过结合两种体系测控系统的特点，构建一套联合测控系统，表征耦合系统中两种量子比特的相干性，并研究耦合系统的消相干特性的变化。最后探索实现两种体系量子比特间信息的交换，以及不同固态体系之间的兼容性。

半导体量子点是构造实用化量子计算机最有潜力的候选体系之一。利用量子点中电子自旋构造的自旋量子比特因其相干时间长、操控速度快、易于扩展，且与传统微电子制造业完全兼容的特点，成为当前量子计算领域的研究焦点。本项目聚焦于探索半导体量子点大规模扩展的技术路线。主要研究目标包括：利用超导微波谐振腔耦合探测量子点，通过谐振腔实现两个量子点的长程耦合，进一步实现利用谐振腔耦合量子点与超导Transmon量子比特，探索两种不同物理体系之间的耦合接口和量子信息的相干传递。项目立项以来，我们围绕既定目标开展了一系列原创性研究工作。首先，我们开发并优化了量子点与谐振腔耦合体系样品制备的关键技术工艺，制备出性质优良的样品。其中，谐振腔的谐振频率可在5.5 GHz到6.5 GHz范围内连续可调，其特征阻抗达一千欧姆以上，达到了国际最优水平。此外，该样品集成了两个双量子点，可以同时实现两个双量子点与谐振腔的耦合。我们系统地研究了量子点与谐振腔的耦合机制，分别利用微波幅值和相位实现了对量子点的电荷状态的探测。我们利用双量子点构造了电荷量子比特，观察到了量子比特与谐振腔耦合产生的真空拉比劈裂现象，实现了量子比特与谐振腔的强耦合。通过提取系统的特征参数，我们得到了耦合系统的比特退相干速率、腔耗散速率和耦合强度的数值，分别为55 MHz、35 MHz和82 MHz。其中，耦合强度大于比特退相干速率和腔耗散速率，进一步证实了强耦合的实现。在此基础上，我们实现了两个电荷量子比特通过谐振腔的长程耦合，并开发了一种快速表征多比特与谐振腔耦合系统参数空间的关联谱测量技术。这一技术可以应用到大规模的量子比特与谐振腔耦合体系中，为大规模量子计算系统的参数优化提供了实用化的解决方案。此外，我们利用电荷量子比特与谐振腔耦合体系，系统地研究了二能级系统在微波驱动下的Landau-Zener-Stückelberg干涉过程，并且发现了强驱动情况下Floquet态的稳态分布，为更深入地理解光与物质相互作用的物理过程提供了新的视角。