中國科大郭光燦院士團隊在半導體量子比特門操控方面取得重要進展。該團隊郭國平教授、李海歐教授與本源量子等合作，在鍺硅異質結結構半導體量子點體系中實現了保真度超過99.9%的幾何量子門操作，為構建大規模容錯量子計算處理器提供了關鍵技術。研究成果以“High-fidelity geometric quantum gates exceeding 99.9% in germanium quantum dots” 為題，于8月26日在線發表在國際知名期刊《自然通訊》上。
 

　　半導體量子點憑借其兼容成熟半導體制造工藝的可集成性，已成為實現可擴展量子計算的重要平臺。基于鍺硅異質結結構(2DHG)的量子點因其超高的空穴載流子遷移率和超強的自旋軌道耦合等優勢，可以實現全電學操控而受到國內外科研團隊的廣泛關注。然而，隨著量子比特數目的增多，半導體量子計算正步入中等規模含噪聲量子(NISQ)時代。在大規模量子比特陣列中，不同比特面臨的噪聲環境差異巨大，亟需開發高保真度、強噪聲魯棒性的量子比特操作方案。
 

　　與傳統量子門依賴動力學相位累積不同，幾何量子門通過參數空間中演化路徑的幾何形狀來確定幾何相位，幾何相位具有全局特征，對局部演化路徑上的噪聲擾動和環境誘導的退相干等特定類型噪聲具有天然抵抗性。研究團隊采用門集層析技術識別出比特頻率偏移噪聲和拉比頻率噪聲兩類主要噪聲源，并確定前者是影響量子門操作保真度的核心因素。基于此發現，團隊采用針對這兩類噪聲的理論優化方案，實現了高保真度的幾何量子門操控。
 

　　為了全面評估幾何量子門的性能優勢，研究團隊對傳統動力學門和新型幾何量子門進行了系統性對比測試。結果顯示，傳統動力學門在拉比頻率增大時操作保真度提升但逐漸飽和，此時單量子比特門(I門)的保真度仍與99%的高性能標準存在明顯差距。相比之下，幾何量子門在大工作范圍內展現出穩定的抗噪聲能力。在較寬的拉比頻率范圍內，其操作保真度始終保持在99%的容錯量子計算閾值之上。更為重要的是， I門、X/2門、Y/2門的最高保真度分別達到99.98%、99.80%和99.97%，均達到國際先進水平。這一出色表現充分證明了，幾何量子門不僅在單一工作點表現優異，更在大的工作范圍內保持穩定的高性能，這種“可復現”性對大規模量子計算處理器的實現具有重要意義。
 

　　在噪聲魯棒性驗證實驗中，研究團隊通過人工添加不同強度的比特頻率偏移噪聲，系統模擬了實際量子比特可能遇到的噪聲干擾。在實驗研究的噪聲范圍內，幾何量子門的操作保真度始終顯著高于傳統動力學門。即使在±2.5 MHz(±1.2 MHz)的比特頻率偏移噪聲擾動下，幾何量子門X/2門和Y/2門(I門)的保真度仍能穩定保持在99%之上。這一噪聲容忍范圍與實驗環境中的噪聲水平吻合，充分表明幾何量子門方案在真實應用場景中具備有效的噪聲抵抗能力，可顯著降低頻繁校準的需求。
 

　　圖1. (a)傳統動力學門在不同工作條件下的操作保真度。(b) 幾何量子門的路徑示意圖。(c) 幾何量子門在不同工作條件下的操作保真度。對比(a)和(c)發現，隨著在拉比頻率增大，傳統動力學門操作保真度有所提升但逐漸飽和，幾何量子門的操作保真度始終穩定保持在99%之上。 (d)-(f) 人工添加不同強度的比特頻率偏移噪聲后，傳統動力學門與幾何量子門性能對比。幾何量子門的保真度始終顯著高于傳統動力學門，且隨著噪聲增大，動力學門的操作保真度下降更明顯。

 

　　在大規模量子比特陣列中，頻繁的比特校準不僅消耗大量的資源，還可能引入額外的誤差。幾何量子門的強噪聲魯棒性有望大幅減少比特的校準需求，為構建大規模量子處理器節約關鍵資源。
 

　　量子網絡安徽省重點實驗室博士生周雨晨為論文第一作者。李海歐教授、王桂磊研究員和郭國平教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了合肥國家實驗室、國家基金委、安徽省和中國科學技術大學的資助。