中国科大在半导体量子点中实现保真度超99.9%的量子门操控

中国科大郭光灿院士团队在半导体量子比特门操控方面取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧教授与本源量子等合作，在锗硅异质结结构半导体量子点体系中实现了保真度超过99.9%的几何量子门操作，为构建大规模容错量子计算处理器提供了关键技术。研究成果以“High-fidelity geometric quantum gates exceeding 99.9% in germanium quantum dots” 为题，于8月26日在线发表在国际知名期刊《自然通讯》上。

半导体量子点凭借其兼容成熟半导体制造工艺的可集成性，已成为实现可扩展量子计算的重要平台。基于锗硅异质结结构（2DHG）的量子点因其超高的空穴载流子迁移率和超强的自旋轨道耦合等优势，可以实现全电学操控而受到国内外科研团队的广泛关注。然而，随着量子比特数目的增多，半导体量子计算正步入中等规模含噪声量子（NISQ）时代。在大规模量子比特阵列中，不同比特面临的噪声环境差异巨大，亟需开发高保真度、强噪声鲁棒性的量子比特操作方案。

与传统量子门依赖动力学相位累积不同，几何量子门通过参数空间中演化路径的几何形状来确定几何相位，几何相位具有全局特征，对局部演化路径上的噪声扰动和环境诱导的退相干等特定类型噪声具有天然抵抗性。研究团队采用门集层析技术识别出比特频率偏移噪声和拉比频率噪声两类主要噪声源，并确定前者是影响量子门操作保真度的核心因素。基于此发现，团队采用针对这两类噪声的理论优化方案，实现了高保真度的几何量子门操控。

为了全面评估几何量子门的性能优势，研究团队对传统动力学门和新型几何量子门进行了系统性对比测试。结果显示，传统动力学门在拉比频率增大时操作保真度提升但逐渐饱和，此时单量子比特门（I门）的保真度仍与99%的高性能标准存在明显差距。相比之下，几何量子门在大工作范围内展现出稳定的抗噪声能力。在较宽的拉比频率范围内，其操作保真度始终保持在99%的容错量子计算阈值之上。更为重要的是， I门、X/2门、Y/2门的最高保真度分别达到99.98%、99.80%和99.97%，均达到国际先进水平。这一出色表现充分证明了，几何量子门不仅在单一工作点表现优异，更在大的工作范围内保持稳定的高性能，这种“可复现”性对大规模量子计算处理器的实现具有重要意义。

在噪声鲁棒性验证实验中，研究团队通过人工添加不同强度的比特频率偏移噪声，系统模拟了实际量子比特可能遇到的噪声干扰。在实验研究的噪声范围内，几何量子门的操作保真度始终显著高于传统动力学门。即使在±2.5 MHz（±1.2 MHz）的比特频率偏移噪声扰动下，几何量子门X/2门和Y/2门（I门）的保真度仍能稳定保持在99%之上。这一噪声容忍范围与实验环境中的噪声水平吻合，充分表明几何量子门方案在真实应用场景中具备有效的噪声抵抗能力，可显著降低频繁校准的需求。

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图1. (a)传统动力学门在不同工作条件下的操作保真度。(b) 几何量子门的路径示意图。(c) 几何量子门在不同工作条件下的操作保真度。对比(a)和(c)发现，随着在拉比频率增大，传统动力学门操作保真度有所提升但逐渐饱和，几何量子门的操作保真度始终稳定保持在99%之上。 (d)-(f) 人工添加不同强度的比特频率偏移噪声后，传统动力学门与几何量子门性能对比。几何量子门的保真度始终显著高于传统动力学门，且随着噪声增大，动力学门的操作保真度下降更明显。

在大规模量子比特阵列中，频繁的比特校准不仅消耗大量的资源，还可能引入额外的误差。几何量子门的强噪声鲁棒性有望大幅减少比特的校准需求，为构建大规模量子处理器节约关键资源。

量子网络安徽省重点实验室博士生周雨晨为论文第一作者。李海欧教授、王桂磊研究员和郭国平教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了合肥国家实验室、国家基金委、安徽省和中国科学技术大学的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63241-4