中國科大研制成功可集成的石墨烯量子芯片單元

　　由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制成功可集成的石墨烯量子芯片單元。該實(shí)驗(yàn)室固態(tài)量子芯片組教授郭國平與合作者成功實(shí)現(xiàn)了石墨烯量子點(diǎn)量子比特和超導(dǎo)微波腔量子數(shù)據(jù)總線的耦合，首次測定了石墨烯量子比特的相位相干時(shí)間及其奇特的四重周期特性，并首次在國際上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)石墨烯量子比特的長程耦合，為實(shí)現(xiàn)集成化量子芯片邁出了重要的一步。系列成果分別在《物理評論快報(bào)》[Phys.Rev.Lett.115,126804(2015)]和《納米快報(bào)》[NanoLett.DOI:10.1021/acs.nanolett.5b02400(2015)]上發(fā)表，博士生鄧光偉是該系列工作的第一作者。

　　兩個(gè)石墨烯量子比特與超導(dǎo)微波腔長程耦合樣品圖和測量裝置示意圖

　　新型柔性半導(dǎo)體材料石墨烯被普遍認(rèn)為是下一代半導(dǎo)體元器件的重要載體。自旋軌道耦合與凈核自旋影響的消除也為石墨烯在量子芯片中的應(yīng)用提供誘人的前景。然而這種單層碳原子材料載流子的相對論特性和零能隙能帶結(jié)構(gòu)也對石墨烯基量子比特的構(gòu)造提出了高度挑戰(zhàn)。另外，實(shí)用化量子芯片的高集成特性要求構(gòu)造的量子比特能與非局域量子數(shù)據(jù)總線耦合。

　　郭國平研究組在2008年提出將超導(dǎo)腔引入半導(dǎo)體量子芯片做量子數(shù)據(jù)總線的理論方案[Phys.Rev.Lett.101,230501(2008)]后，經(jīng)過近7年的努力先后攻克了石墨烯全電控單雙量子點(diǎn)的制備、石墨烯量子比特的設(shè)計(jì)構(gòu)造等系列難關(guān)，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型超導(dǎo)微波諧振腔，最終實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)微波腔與石墨烯量子比特的復(fù)合結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測試表明該新型超導(dǎo)量子數(shù)據(jù)總線與石墨烯量子比特的耦合強(qiáng)度達(dá)到30兆赫茲，在未來大規(guī)模集成的量子芯片架構(gòu)中將具有重要意義。

　　研究組在該石墨烯與超導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)上采用微波探測技術(shù)在國際上首次測定石墨烯量子點(diǎn)比特的相位相干時(shí)間，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)石墨烯量子相干時(shí)間和其量子點(diǎn)中載流子的數(shù)目有獨(dú)特的四重周期特性，為實(shí)驗(yàn)探索和驗(yàn)證石墨烯自旋和能谷自由度四重簡并帶來的基本物理提供了新方法和新機(jī)理。

　　在深入研究了單個(gè)量子比特和超導(dǎo)腔的耦合機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究組把目光瞄向了量子比特長程耦合這一難題上，并首次在國際上成功地實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)石墨烯量子比特的長程耦合，測量到了相距60微米(量子點(diǎn)自身大小的200倍)的兩個(gè)量子比特之間的量子關(guān)聯(lián)。因?yàn)槭堑谝粋€(gè)在量子點(diǎn)體系里面實(shí)現(xiàn)基于超導(dǎo)腔的兩比特長程耦合，文章在arXiv(1409.4980)發(fā)表之后，立即引起國際同行廣泛關(guān)注，被發(fā)表在Science，PRL等刊物的論文引用并高度評價(jià)，認(rèn)為它對將來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子點(diǎn)比特之間的量子糾纏以及最終實(shí)現(xiàn)集成化的量子芯片均具有重大意義。

　　這項(xiàng)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。