突破99.9%保真度的锗量子点几何量子门：噪声鲁棒性操控的重大进展

研究团队针对半导体量子计算中强自旋-轨道耦合导致的噪声敏感性问题，在锗量子点空穴自旋比特中引入非绝热几何量子计算（NGQC）方案。通过门集层析（GST）验证，几何量子门的X/2、Y/2和I门保真度分别达99.80%、99.97%和99.98%，且在±2.5 MHz失谐下仍保持99%以上保真度，为规模化量子计算提供了高鲁棒性操控方案。

　　

在半导体量子计算领域，自旋比特因其长相干时间和可扩展性被视为最有前景的载体之一。然而，强自旋-轨道耦合（SOI）犹如双刃剑——虽然能实现超快量子门操控（如锗空穴自旋比特可达19 MHz拉比频率），却也使比特暴露于复杂噪声环境中。尤其在大规模集成时，非均匀的噪声敏感性导致比特性能参差不齐，成为实现容错量子计算的主要瓶颈。传统动态量子门虽可通过提高拉比频率（f_Rabi）将X/2门保真度提升至99.88%（门集层析结果），但I门保真度仍受限于失谐噪声（Δf），最高仅达97.48%。如何实现兼具高保真度与噪声鲁棒性的操控，成为亟待解决的核心问题。

为此，中国科学技术大学Guo-Ping Guo团队在《Nature Communications》发表研究，创新性地将几何量子计算（GQC）引入锗量子点体系。该方案利用量子态在参数空间中的非绝热几何相位实现门操作，其核心优势在于几何相位仅依赖于演化路径包围的"面积"，对某些噪声类型具有天然免疫力。研究人员首先在应变锗双量子点（DQD）中构建空穴自旋比特，通过增强锁存读出（ELR）技术实现单发测量，并利用电偶极自旋共振（EDSR）获得19 MHz拉比频率和6.75 μs的CPMG相干时间。

关键技术包括：1）基于锗量子点的空穴自旋比特制备与ELR读out；2）门集层析（GST）和随机基准测试（RB）双体系保真度评估；3）针对系统噪声（δ）和失谐噪声（Δf）分别设计Path1与Path2两种几何演化路径；4）通过微波频率主动失谐实验验证噪声鲁棒性。

主要研究结果

测量技术

通过扫描电子显微镜（SEM）表征器件结构，

显示双量子点与电荷传感器的集成设计。利用Pauli自旋阻塞（PSB）效应，在(1,1)-(2,0)电荷区域实现单发态分辨，测得自旋-三重态能级差E_ST=0.8 meV。

比特特性

拉比振荡测量揭示最大f_Rabi=19 MHz（对应品质因子Q=39.78），

原始退相干时间T₂^*=136 ns，经CPMG动态解耦延长至6.75 μs。

保真度对比

GST分析显示：动态门在f_Rabi=19 MHz时X/2、Y/2门保真度接近99.9%，但I门受失谐噪声限制仅97.48%。

而几何门Path2在所有f_Rabi下平均保真度>99%，最高达99.98%。

噪声鲁棒性验证

主动引入Δf=±2.5 MHz时，几何X/2门保真度仍保持99%，

显著优于动态门（下降速度加快42%）。数值模拟证实该特性源于几何相位对路径参数的弱依赖性。

这项研究首次在半导体量子点中实现保真度>99.9%的几何量子门，其突破性体现在三方面：1）通过Path2设计特异性抵抗失谐噪声，将I门保真度提升2.5倍；2）在±2.5 MHz失谐范围内维持操作保真度，大幅降低比特频率校准频次；3）为未来大规模量子处理器提供可扩展的高鲁棒性操控方案。结合团队此前在硅基比特中的工作（Phys. Rev. Appl. 21, 014044），该成果标志着几何量子计算在固态体系中的成熟应用，为容错量子计算奠定了关键技术基础。