近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队郭国平教授和曹刚教授等人与马德里材料科学研究所Sigmund Kohler高级研究员、本源量子计算有限公司合作，从实验和理论上研究了非色散耦合的受驱量子点-微波谐振腔杂化系统，发展并验证了一种可适用于不同耦合强度和多量子比特系统的响应理论方法。 6月9日，研究成果作为封面文章 发表在国际物理知名期刊《物理评论快报》上。
研究成果以“Probing Two Driven Double Quantum Dots Strongly Coupled to a Cavity”为题，发表在《Physical Review Letters》上。 此次，中科院量子信息重点实验室博士生顾思思为论文第一作者，郭国平、曹刚以及马德里材料科学研究所西格蒙德·科勒为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委的资助。
耦合到超导腔的半导体量子点(QD)提供了一个研究和利用光-物质相互作用的平台，在固态量子信息处理方面具有很大的应用潜力。由于腔体和量子比特之间的耦合强度决定了门操作和信息交换的速度，发展具有强相互作用的cQED设置具有高度的意义。基于QD的cQED的实验进展（如高阻抗超导腔体）大大增加了耦合强度，可以系统地研究Jaynes-Cummings模型、量子拉比（Rabi）模型和拓扑结构的物理学。 强周期驱动(Strong periodic driving)是量子控制、量子模拟和系统表征中一个强大而广泛使用的工具。对相应的Floquet动力学的研究对于理解这种强驱动系统至关重要，并为进一步改善实际应用打下了坚实的基础。 然而，现有大多数实验和理论工作所关注的弱耦合制度，不能满足新出现的对大耦合强度的需求，以进行相干的量子信息交换和可扩展的量子网络；驱动的多量子比特-腔体系统(multiqubit-cavity system)的动力学仍然是一个问题 。
在之前的工作中（Science Bulletin 66, 332–338 (2021)），课题组借助高阻抗超导微波谐振腔，实现了量子点-微波谐振腔杂化系统的强耦合。在此基础上，此次课题组进一步研究了强耦合杂化系统在周期性驱动下的动力学现象 。 具体来说，团队展示了一个由两个空间分离的GaAs量子点耦合到一个超导NbTiN腔的强驱动混合系统。 受益于高阻抗腔体的增强耦合强度，该系统的工作超出了现有理论的范围。 团队表示，“与这些将DQD视为相对独立的强驱动系统的弱耦合强度的理论不同，这里我们通过考虑全混合系统的Floquet状态，进一步发展一个广义的理论。在这样做的时候，我们把腔体作为中心驱动系统的一部分，这就提供了一种适用于任意强DQD-腔体耦合的方法，也捕捉到了不同DQD之间以腔体为中介的相互作用。” 实验时，在空腔传输中观察到了Landau-Zener-St¨uckelberg-Majorana（LZSM）干扰模式和驱动单DQD-空腔设置的劈裂(splitting)，以及双DQD-空腔系统的扩大劈裂。 ——在定量的层面上，团队也已经证明了在前一种方法的局限性变得明显的情况下，计算和测量的LZSM模式的出色一致性。 进一步地，文章表示，“我们对这些结果进行了分析，并以我们的模型进行了很好的再现。”
图(a)显示了含有两个DQD的半波长超导NbTiN传输腔，它们之间的距离大约为670 µm。DQD是在带有栅极的GaAs/AlGaAs量子阱中形成的[插图]。如图(b)和(c)所示，DQDj中的占用数(mj , nj )由栅极电压VBRj和VBLj控制。
图(b)显示了在设置的参数下计算出的干扰图案。它的条纹符合共振条件，但对于某些驱动参数的值，理论预测的传输量大大超过统一（红色区域，用箭头标出），这可能表明有激光。然而，在这里情况相反，DQD与空腔的耦合强度超出了线性响应极限。此外，空腔介导的DQD之间的相互作用被忽略了。为了克服这些缺点，团队开发了一个驱动量子比特的响应理论方法，其中腔体被认为是中心系统的一部分。图(c)说明了单DQD耦合到空腔的这个想法，这将使团队能够处理具有任意强的DQD-腔体耦合的设置。
这些实验和理论研究为理解周期性驱动下的量子点-谐振腔杂化系统提供了一个新的角度 。同时，该工作发展和验证的理论方法具有很好的普适性和可扩展性，不仅适用于不同耦合强度的杂化系统，还可扩展到更多比特，同样可能应用于其他物理体系 。
近年来，该团队在微波谐振腔耦合与扩展半导体量子比特方面取得系列进展，最近还实现了五个半导体量子比特与微波谐振腔的集成与耦合。 如今，“中国声谷，量子中心”已是合肥的两大名片 ，这里有驰名中外的科技企业，有四大国家实验室，其中量子信息科学国家实验室、合肥微尺度物质科学国家实验室都是量子技术发展的中坚力量，合肥还与北京、上海一起成为综合性国家科学中心。 合肥成为与京沪齐名的科技名城，一个因为是人工智能，另一个就是量子信息，而这些成就背后离不开中国科学技术大学这所科学殿堂；云飞路上的科大国盾、本源量子和国仪量子，也分别代表量子通信、量子计算和量子精密测量领域产业化的最高水准。 1952年8月，安徽省人民政府成立，出于战略上的考虑，把省会设在了合肥。除了在太平天国时期，因为安庆被攻破，短暂作为首府之外，合肥在历史上从来没有担此大任。 因为人才匮乏、资金短缺，合肥市工业发展举步维艰，时任安徽省委第一书记曾希圣坐不住了。“合肥是省会所在地，今后不仅是全省政治、经济和其他各项工作的中心，而且人口也不只是几万，也许是几十万或上百万。要想得到全面的发展，没有工业是不行的。” 上世纪五十年代，中央号召上海企业内迁，曾希圣就赶紧派人前往上海协调，并成立了赴沪迁厂工作组。最终56家上海企业迁往合肥，基本上填补了合肥在针织、印染、搪瓷、制笔、农药、机电、电池、制锁、灯泡、日用化工、彩印、饮料等工业领域的生产空白。 得益于上海企业内迁，安徽省GDP从1952年的22.9亿元增长到1959年的58亿元，但到了60年代，安徽经济出现停滞，直到1969年GDP才又恢复到了58亿元。就在这样困难的情况下，合肥把中科大争取了过来。 当时合肥甘愿舍弃本土高校合肥师范学院，将校舍腾出给中科大做校址。尽管校舍面积还不到6万平方米，也已经是合肥能拿得出手的最好条件了。
1977年9月，中国恢复了高考和研究生教育制度，中科院创办了全国第一个研究生院——中国科学技术大学研究生院（中国科学院大学前身），地点就在北京，中科大的原址上。 当年那些迁出北京的高校又迁回了北京，中科大也怀抱着巨大的希望，争取回京。但是得到的答复是：原址已经被研究生院占据了，北京也找不到足够的地方来办学了。北京不行，那南京、上海也值得一试。但中科大申请的结果，通通都是失败。 80年代，全市的电力供应都紧张。但科大师生说，做科研，不能没有稳定电力供应。于是中科大成了优先级最高的供电单位，比合肥市政府更高。 南方的冬天湿冷，让来自北京的师生怀念暖气。有时候课上到一半，师生们甚至会一起跺脚取暖。政府硬是挤出了资金，给中科大的教室和学生宿舍楼里，都装上了暖气。直到三十多年后，合肥的主城区和3个开发区才享受到了集中供暖。 80年代的中国，所有城市都很穷，但不是所有城市都像合肥一样有耐心，愿意和科大一起成长。 在留住科大的同时，1985年，国有企业“扩大经营自主权和经济责任制改革试点”在安徽进行，合肥家电产业开始萌芽露尖，其中包括从依托合肥洗衣机厂办起来的荣事达、从合肥第二轻工机械厂转型的美菱等。1990年，合肥高新区设立，容纳高新技术产业的发展。 第一台VCD，第一台国产微型计算机，第一台微型汽车，全部来自合肥。但因为不掌握核心技术，在产业化路上纷纷夭折。90年代随着长虹、海尔等品牌崛起，合肥本土的家电因为规划不明晰，慢慢地开始走向没落。 当时坐拥中科大的合肥，却没有一点科研城市的样子。1998年的一个调查数据显示，中国科技大学毕业研究生共367人，其中，留在安徽的博士生3人，硕士生11人。 1997年，在安徽每万人中有113个科学家，全国平均水平是202人，安徽在全国排名26位，每万人中申请专利数量是20件，全国平均水平是62件，安徽排在28位，都相当于是倒数。 中科大为合肥带来了诸多荣誉，中国第一个国家级实验室——国家同步辐射实验室就坐落在合肥。 但中科大是以基础科研为主的高校，做的都是从零起步的领域，前期投入巨大，且收益甚少，在上世纪对合肥经济增长的贡献有限。 尽管如此，合肥对中科大仍是不遗余力地支持，终于从90年代末开始，合肥的耐心收获了回报。 合肥的一个有名的标签就是“量子中心”，这一产业也是从90年代末开始萌芽。 1999年，在中国科学院的支持下，郭光灿团队成立“中国科学技术大学量子通信与量子计算开放实验室”（后来更名为中科院量子信息重点实验室）。 2001年，郭光灿作为首席科学家承担科技部973项目“量子通信与量子信息技术”，来自国内十多个重要研究所和著名大学的五十余位科学家协作参加该项目的研究。后来这个项目走出了郭光灿、潘建伟、杜江峰、彭堃墀、孙昌璞等五名中科院院士。 经过20年发展，合肥已经成为人工智能、量子信息的主要研发基地，这也是中国科技赶超发达国家最重要的两个领域。 今年6月6日，科技部党组书记、部长王志刚带队赴合肥调研量子科技发展情况 ，对加强国家量子科技工作顶层设计、强化应用场景导向、加强量子科技人才培养等提出具体要求。
王志刚指出，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，对促进国家经济高质量发展、提升综合国力、应对国际风险挑战具有重大战略意义。 王志刚强调，下一步要认真学习习近平总书记关于科技自立自强的重要论述，深入贯彻落实总书记关于量子科技的重要指示精神，进一步提高政治站位，对照中央科技委员会办公室职责任务，强化国家量子科技工作的顶层设计，做好新时期国家量子科技发展规划布局，坚持目标牵引和应用场景导向，系统性、体系化推进我国量子科技工作。 “二线的城市，一流的科研。”这是国际著名学术期刊《自然》对合肥的评价。 经过20年发展，合肥已经成为人工智能、量子信息的主要研发基地，这也是中国科技赶超发达国家最重要的两个领域。下一个十年，我们期待合肥的又一次腾飞。 [1]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/83582.htm [2]https://arxiv.org/pdf/2212.10212.pdf [3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.233602 [4]https://www.sohu.com/a/684731996_121107000
