中國科大在量子點(diǎn)-諧振腔雜化系統(tǒng)的動力學(xué)驅(qū)動研究中取得重要進(jìn)展

(資料圖)

我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體量子點(diǎn)-微波諧振腔雜化系統(tǒng)的動力學(xué)驅(qū)動研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國平教授和曹剛教授等人與馬德里材料科學(xué)研究所西格蒙德·科勒（Sigmund Kohler）高級研究員以及本源量子計(jì)算有限公司合作，從實(shí)驗(yàn)和理論上研究了非色散耦合的受驅(qū)量子點(diǎn)-微波諧振腔雜化系統(tǒng)，發(fā)展并驗(yàn)證了一種可適用于不同耦合強(qiáng)度和多量子比特系統(tǒng)的響應(yīng)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(fā)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(dǎo)體量子比特的強(qiáng)耦合是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，它既是利用微波光子實(shí)現(xiàn)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(zhì)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(dǎo)微波諧振腔，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)-微波諧振腔雜化系統(tǒng)的強(qiáng)耦合。在此基礎(chǔ)上，課題組進(jìn)一步研究了強(qiáng)耦合雜化系統(tǒng)在周期性驅(qū)動下的動力學(xué)現(xiàn)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(diǎn)集成的復(fù)合器件。通過探測雙量子點(diǎn)-諧振腔雜化系統(tǒng)在周期性驅(qū)動下的微波響應(yīng)信號，發(fā)現(xiàn)由于耦合強(qiáng)度的提升，現(xiàn)有色散讀出理論方法失效。為此，研究人員發(fā)展了一種新的響應(yīng)理論方法，與現(xiàn)有理論將諧振腔的影響當(dāng)做相對獨(dú)立的微擾項(xiàng)不同，新理論將諧振腔視為受驅(qū)系統(tǒng)的一部分。利用該理論，研究人員成功模擬和解釋了實(shí)驗(yàn)信號，并進(jìn)一步研究了耦合兩個雙量子點(diǎn)的雜化系統(tǒng)在周期性驅(qū)動下的情形。

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

近年來，該團(tuán)隊(duì)在微波諧振腔耦合與擴(kuò)展半導(dǎo)體量子比特方面取得系列進(jìn)展，最近還實(shí)現(xiàn)了五個半導(dǎo)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(xué)顯微鏡下的器件結(jié)構(gòu)圖。黃色方框內(nèi)為微波諧振腔，紅色方框內(nèi)為雙量子點(diǎn)，插圖為電子顯微鏡下的雙量子點(diǎn)電極結(jié)構(gòu)圖。（b）單個雙量子點(diǎn)-腔雜化能級示意圖，灰色震蕩曲線代表施加的周期性驅(qū)動微波。（c）頻譜測量結(jié)果。（d）、（e）分別為兩個雙量子點(diǎn)-腔雜化能級示意圖及頻譜測量結(jié)果。

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