量子计算是当前国际上竞争激烈的一个研究领域。为了实现可实用化的量子计算机，科学家们一直在寻找量子比特更好的物理载体。目前的载体包括超导约瑟夫森结、半导体量子点、金刚石色心、离子阱、冷原子、光子等等。每一种方案都在不同程度上有其优点和局限性。

近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心固态量子信息与计算实验室Q02团队探索了利用半导体锗硅核壳纳米线和拓扑绝缘体纳米线构建复合型的超导量子比特。这些复合量子比特不仅有希望继承超导量子比特的易读取性和半导体自旋量子比特长寿命的优点，同时也为研究纳米线约瑟夫森结中安德列夫束缚态的粒子、自旋和拓扑等性质提供了重要的实验平台。

锗基材料由于具有高空穴迁移率、强自旋轨道耦合和弱超精细相互作用等优异性质，是实现复合超导量子比特极有潜力的材料体系。

图一：基于Ge/Si纳米线的超导门控量子比特器件示意图和测量配置。

近来，该团队与北京工业大学及荷兰埃因霍温理工大学等通力合作，首次成功基于高品质锗硅核壳半导体纳米线构筑了空穴型的gatemon超导量子比特（图一）。

图二：基于Ge/Si纳米线的超导门控量子比特的频谱图。

该器件在较宽频率范围内呈现了门电压可调的量子比特频谱（图二）。研究团队在时域上对该量子比特进行了相干操作，观察到了拉比振荡并得到了量子比特能量弛豫时间~180ns。

通过功率谱测量提取到了平均相位退相干时间T~15 ns（图三）。

图三：对基于Ge/Si纳米线的超导门控量子比特的相干操作及其功率谱图。

研究人员还研究了和T随门电压的依赖性。结果表明，随着量子比特与共面波导谐振腔间耦合强度的逐渐增加，会受到由谐振腔引入的环境高频噪声的影响而减小。

而T对耦合强度没有明显的响应，主要受门电压噪声等低频噪声的影响（图四）。

图四：基于Ge/Si纳米线的超导门控量子比特的能量弛豫时间、相位退相干时间的门电压依赖性以及量子比特的ac Stark效应。

相关结果以“Hole-type superconducting gatemon qubit based on Ge/Si core/shell nanowires”为题发表在npj Quantum Information上[npj Quantum Inf 9, 51(2023)]。中国科学院物理研究所博士生卓恩娜、吕昭征副研究员、博士生孙晓培和北京工业大学李昂副研究员为文章共同第一作者，中国科学院物理研究所吕力研究员和吕昭征副研究员为共同通讯作者。

利用拓扑绝缘体纳米线与超导材料构建复合型的拓扑量子比特是领域内另一个重要的研究方向。拓扑量子比特会受到准粒子中毒的影响。为了研究拓扑量子器件中的准粒子中毒问题，该团队构建了基于拓扑绝缘体纳米线的超导量子比特（图五），并估算出该系统准粒子中毒时间的下限为1μs。

图五： 基于拓扑绝缘体纳米线的Xmon量子比特。

在该器件中，研究人员展示了它与共面波导谐振腔的强耦合，观察到磁通可调能谱和拉比振荡；量子比特寿命约为0.5μs（图六）。

图六：基于拓扑绝缘体纳米线量子比特的拉比振荡和能量弛豫。

这种包含拓扑材料和电路量子电动力学系统的复合平台可进一步用于研究拓扑量子电路中的马约拉纳零能模等物理特性。相关结果以“Realization of superconducting transmon qubits based on topological insulator nanowires”为题发表在Applied Physics Letters上[Appl. Phys. Lett. 122, 154001(2023)]。中国科学院物理研究所博士生孙晓培、李冰、卓恩娜和吕昭征副研究员为文章共同第一作者，吕力研究员和吕昭征副研究员为共同通讯作者。

上述工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院战略先导（B）计划、怀柔综合极端条件实验装置、科技创新2030—“量子通信与量子计算机”重大项目和北京市自然科学基金委等的资助。

编辑：蓝多多