德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特

一个分别来自德国和中国的研究小组成功地在半导体纳米结构中创建了量子叠加态，标志着量子计算领域的重大突破。通过使用两个经过特别校准的短波长激光脉冲，该研究小组成功地在半导体纳米结构中产生了一个量子比特（或称量子位）。

研究小组成功地在半导体纳米结构中产生了量子位。研究人员利用一种特殊的能量转换，在量子点（半导体的一个微小区域）中产生了一种叠加态，其中一个电子空穴同时拥有两个不同的能级。这种叠加态是量子计算的基础。

以前，要诱导这种状态，必须使用能够发射太赫兹范围光线的大型自由电子激光器。遗憾的是，这种波长太长，无法将光束准确聚焦到量子点上。不过，该团队利用两个经过仔细校准的短波长激光脉冲实现了激发。

以杭州浙江大学的刘锋为首的研究小组与波鸿鲁尔大学的阿尔内-路德维希博士领导的研究小组以及其他来自中国和英国的研究人员一起，在2023年7月24日在线出版的《自然-纳米技术》杂志上报告了他们的研究成果。

研究人员成功地在一种半导体纳米结构中创建了一种量子叠加态，它可能成为量子计算的基础。诀窍在于：两个光学激光脉冲可作为一个太赫兹激光脉冲。(波鸿研究团队： Hans-Georg Babin（左）和 Arne Ludwig）。资料来源：RUB，Marquard

为了实现这种叠加态，研究人员利用了辐射奥格转变。在这一过程中，一个电子与一个空穴重新结合，部分能量以光子形式释放，部分能量转移到另一个电子上。电子空穴--换句话说，缺失的电子--也会发生同样的过程。2021 年，一个研究小组首次成功地专门激发了半导体中的辐射奥杰转变。

在当前的项目中，研究人员证明了辐射奥杰过程可以被相干驱动：他们使用了两束不同的激光，其强度相互之间有特定的比例。通过第一束激光，他们激发了量子点中的电子-空穴对，产生了由两个空穴和一个电子组成的准粒子。利用第二束激光，他们触发了辐射奥杰过程，将一个空穴提升到一系列更高的能量状态。

研究人员利用微调激光脉冲在空穴基态和高能态之间产生叠加。这样，空穴就同时存在于这两种状态中。这种叠加是量子比特的基础，与传统比特不同，量子比特不仅存在于"0"和"1"两种状态，而且还存在于这两种状态的叠加中。

汉斯-格奥尔格-巴宾（Hans-Georg Babin）在波鸿鲁尔大学由安德烈亚斯-维克（Andreas Wieck）教授领导的应用固体物理教席的阿尔内-路德维希（Arne Ludwig）博士的指导下，制作了用于实验的高纯度半导体样品。在此过程中，研究人员提高了量子点的集合均匀性，并确保了所生产结构的高纯度。这些措施为与严俊勇和刘峰合作的中国合作伙伴进行实验提供了便利。