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我校郭光燦院士領(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)量子芯片組郭國(guó)平教授與合作者成功實(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(xiàn)的耦合，首次測(cè)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(guó)際上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)石墨烯量子比特的長(zhǎng)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(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 115, 126804 (2015)]和《納米快報(bào)》[Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02400(2015)]上發(fā)表。

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(duì)論特性和零能隙能帶結(jié)構(gòu)也對(duì)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(xiàn)耦合。

郭國(guó)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(xiàn)的理論方案[Phys. Rev. Lett.101,230501(2008)]后，經(jīng)過(guò)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(shí)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(cè)試表明該新型超導(dǎo)量子數(shù)據(jù)總線(xiàn)與石墨烯量子比特的耦合強(qiáng)度達(dá)到30兆赫茲，在未來(lái)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(cè)技術(shù)在國(guó)際上首次測(cè)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(jiǎn)并帶來(lái)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(zhǎng)程耦合這一難題上，并首次在國(guó)際上成功地實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)石墨烯量子比特的長(zhǎng)程耦合，測(cè)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(zhǎng)程耦合，文章在arXiv(1409.4980)發(fā)表之后，立即引起國(guó)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(píng)價(jià)，認(rèn)為它對(duì)將來(lái)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。

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

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生鄧光偉是該系列工作的第一作者。這項(xiàng)工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息與量子科技前沿創(chuàng)新中心、科研部）