中國科大在量子點-諧振腔雜化系統的動力學驅動研究中取得重要進展

(資料圖)

我校郭光燦院士團隊在半導體量子點-微波諧振腔雜化系統的動力學驅動研究中取得重要進展。該團隊郭國平教授和曹剛教授等人與馬德里材料科學研究所西格蒙德·科勒（Sigmund Kohler）高級研究員以及本源量子計算有限公司合作，從實驗和理論上研究了非色散耦合的受驅量子點-微波諧振腔雜化系統，發展并驗證了一種可適用于不同耦合強度和多量子比特系統的響應理論方法。研究成果以“Probing Two Driven Double Quantum Dots Strongly Coupled to a Cavity”為題，作為封面文章發表在6月9日出版的國際物理知名期刊《Physical Review Letters》上。

微波光子與半導體量子比特的強耦合是當前的研究熱點，它既是利用微波光子實現量子比特間長程相干耦合的前提，也是探索豐富的光與物質相互作用的鑰匙。在之前的工作中（Science Bulletin 66, 332–338 (2021)），課題組借助高阻抗超導微波諧振腔，實現了量子點-微波諧振腔雜化系統的強耦合。在此基礎上，課題組進一步研究了強耦合雜化系統在周期性驅動下的動力學現象。

在該工作中，研究人員制備了高阻抗微波諧振腔與兩個雙量子點集成的復合器件。通過探測雙量子點-諧振腔雜化系統在周期性驅動下的微波響應信號，發現由于耦合強度的提升，現有色散讀出理論方法失效。為此，研究人員發展了一種新的響應理論方法，與現有理論將諧振腔的影響當做相對獨立的微擾項不同，新理論將諧振腔視為受驅系統的一部分。利用該理論，研究人員成功模擬和解釋了實驗信號，并進一步研究了耦合兩個雙量子點的雜化系統在周期性驅動下的情形。

這些實驗和理論研究為理解周期性驅動下的量子點-諧振腔雜化系統提供了一個新的角度。同時，該工作發展和驗證的理論方法具有很好的普適性和可擴展性，不僅適用于不同耦合強度的雜化系統，還可擴展到更多比特，同樣可能應用于其他物理體系。

近年來，該團隊在微波諧振腔耦合與擴展半導體量子比特方面取得系列進展，最近還實現了五個半導體量子比特與微波諧振腔的集成與耦合（Nano Letters 23, 4175-4182 (2023)）。

圖:（a）光學顯微鏡下的器件結構圖。黃色方框內為微波諧振腔，紅色方框內為雙量子點，插圖為電子顯微鏡下的雙量子點電極結構圖。（b）單個雙量子點-腔雜化能級示意圖，灰色震蕩曲線代表施加的周期性驅動微波。（c）頻譜測量結果。（d）、（e）分別為兩個雙量子點-腔雜化能級示意圖及頻譜測量結果。

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