光子盒研究院出品

硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及其与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为实现量子计算机研制的重要候选者之一。近年来，由于硅量子点的优越性，基于硅量子点的研究取得了实质性进展。

高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。研究人员发现，利用电偶极自旋共振机制实现自旋比特翻转，具备较快的操控速率；同时，比特的操控速率与体系内的自旋轨道耦合强度成正相关，为了在量子纠错等应用中获得更高的门保真度，最好能进一步优化电偶自旋共振(EDSR)的速度以实现对空穴自旋的快速电操控。

因此，对体系内自旋轨道耦合强度的有效调控，是实现自旋量子比特高保真度操控重要的物理基础。

此次，郭光灿院士团队郭国平教授、李海欧教授等人与南科大量子科学与工程研究院黄培豪助理研究员、中科院物理研究所张建军研究员以及本源量子计算有限公司合作，在硅基锗量子点中实现了自旋量子比特操控速率的电场调控，以及自旋翻转速率超过1.2 GHz的自旋量子比特超快操控。

4月26日，研究成果以“Ultrafast and Electrically Tunable Rabi Frequency in a Germanium Hut Wire Hole Spin Qubit”为题，在线发表在国际纳米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

该速率是国际上半导体量子点体系中已报道的最高值，这一工作对提升自旋量子比特的质量也具有重要的指导意义。

为了进一步提升自旋量子比特的性能，实验团队经过实验发现体系内的电场参数（量子点失谐量和栅极电压)对自旋量子比特的操控速率具有明显的调制作用。通过物理建模和数据分析，研究人员利用电场强度对体系内自旋轨道耦合效应的调制作用，以及量子点中轨道激发态对比特操控速率的贡献，自洽地解释了电场对自旋量子比特操控速率调制的实验结果。

并在实验上进一步测得了超过1.2 GHz的自旋比特超快操控速率，这也刷新了课题组之前创造的半导体自旋比特操控速率达到540MHz的最快记录[NatureCommunications13, 206 (2022)]。

实验装置和空穴自旋量子比特

超快空穴自旋量子比特的操纵，最大拉比振荡频率超过1.2 GHz。

最后，团队表示，“我们的工作为可扩展自旋量子比特的研究铺平了道路。”

值得一提的是，从2023年3月以来，这已经是郭光灿院士团队在顶刊（参照中科院分区）发布的第7篇学术论文：自4月初，团队分别在《自然·通讯》、《自然·物理学》、《自然·材料》等期刊发文，内容涵盖量子网络、量子计算、量子精密测量、基础研究等技术突破。

这位八旬院士，似乎正在带领团队开拓全方位的量子科研。

在中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室内，郭光灿的办公室每天都会有很多年轻人进进出出。“年轻人来找我讨论课题、汇报进展、商量对策，甚至是聊聊天。”郭光灿表示，只要不离开合肥，他基本每天都会来办公室——尽管已经80余岁了。

郭光灿，中国量子光学和量子信息科学的开拓者、先行者与奠基人。中国科学院院士、第三世界科学院院士、中国科学技术大学教授、中国光学学会前理事长。图片来源：新华网

从20世纪80年代开始，郭光灿便率先在中国扛起量子研究的大旗，在这片量子光学和量子信息学发展还很贫瘠的土地上“开荒”、“耕耘”。

上世纪70年代，郭光灿就成功研发出中国最早的氮分子激光器，这项成果被评为全国科学大会奖。1981-1983年，郭光灿被公派到加拿大访问学习。在多伦多大学他才发现，国际学术界开展量子光学研究已20多年。 

回国后，郭光灿开始计划并实施推广量子光学，中国的量子光学研究终于开始蹒跚起步，为后来我国在量子信息技术上取得多项世界领先成就打下了基础。

20世纪90年代，年过五旬的郭光灿逐渐接触到了一个新词：量子信息，凭借敏锐的学术嗅觉，他察觉到这可能是量子光学的突破口。可他连“经典信息”都不清楚。于是他求教于中科大信息学院的教授，从“0101”开始学编码。

郭光灿在堆满文件书籍的办公室起草材料。图片来源：新华网

郭光灿团队最早开展量子信息领域的研究，也是最先取得成果的。1997年，郭光灿完成了该领域的第一项重要工作——量子编码。首次提出了“无消相干子空间”，即不会消相干的特殊量子态，仅在需要时把消相干的量子编码到这个特殊量子态上，避免出错。

郭光灿团队关于量子避错编码的文章在《物理评论快报（Physical Review Letters）》上一经发表，引起了国内外量子信息界的轰动，后来该方法也被美国若干著名实验室在实验上所证实。也在这一年，郭光灿的研究工作从理论转向实验，并自1997年起开始申请“973”项目。

1998年，郭光灿组织了量子信息香山科学会议，他致信钱学森，提出应该以“两弹一星”精神推动量子信息发展，抢占先机，并邀请钱老做香山会议的主席。钱老时值年迈体衰，但仍旧回信表示肯定：“你说的都很重要，我很支持你。”

2000年，郭光灿团队凭借“利用光腔制备两原子纠缠的方案”的研究再次轰动世界。后来法国科学家Serge Haroche用实验证明了这一理论，借此获得了2012年诺贝尔物理学奖。

取得重大成果，郭光灿还来不及高兴，因为申请“973”项目屡战屡败。但郭光灿并不打算放弃，他认为，“973”瞄准的是“国家重大需求的基础研究”，而量子信息、量子密码的应用前景诱人，理应得到资助。无奈当时整个学术界对这个领域缺乏了解，并不看好郭光灿的研究。

但在2001年，事情出现了转机。2001年量子信息国际研讨会”在安徽黄山举行，这是中国首次举办量子信息方面的国际会议，吸引了众多的国际权威专家，其中，包括IBM的Bennett教授（提出BB84协议），奥地利的Zoller教授（最早提出离子阱量子计算机的论文），贝尔实验室的Grover教授（提出Grover算法）以及中科院院士刘颂豪教授等。

在这次大会上，郭光灿成为了科技界家喻户晓的人物。他作为中国量子信息领域研究的学术带头人、大会执行主席致开幕词。终于在2001年，也就是郭光灿屡败屡战的第四年，中国第一个量子通信和量子信息技术的“973”项目获得通过。

在随后的中科院实验室评估中，郭光灿团队所在的量子信息实验室名列第一，被破例升格为中科院重点实验室。郭光灿在“973”项目中担纲首席科学家，并会聚了国内十多个研究所和大学的50多名研究人员参与该项目，甚至后来走出了五名中科院院士：除了郭光灿，还有潘建伟、杜江峰、彭堃墀、孙昌璞。

2003年，61岁的郭光灿当选中科院院士，荣获国家自然科学二等奖、何梁何利奖。

郭光灿是国内最早研究量子光学的科学家，也走的光量子路线。2008年，郭光灿团队首次证明了量子信道私密容量不可加性，解决了10多年悬而未决的难题，完成了量子信道三种容量不可加的“三部曲”。

2009年，郭光灿团队在芜湖市建成世界上第一个“量子政务网”，这是中国量子保密通信基础研究成果开始产业化的重要标志。

2016年，郭光灿团队的问天量子与亨通光电合设研究院，于2017年合作完成首个广域网项目——“宁苏量子干线”，也是全球首条相位编码长距离广域商用量子干线。

2017年，由问天量子和中国航天系统科学与工程研究院共同研发的国内首款量子加密手机正式发布。郭光灿也开始二次创业，依托于中科院量子信息重点实验室，郭光灿、郭国平等联合中科大成立了国内第一家量子计算公司——本源量子，专注于量子计算全栈开发，各类软、硬件产品技术指标国内领先，目前已申请专利百余项。

已经80岁高龄的郭光灿院士，仍然孜孜不倦地耕耘在工作岗位上，为量子信息科学发展贡献力量。图为院士在固态量子存储实验室。

郭光灿院士在量子芯片加工测试超净实验室潜心研究。图片来源：新华网

 半导体量子芯片是郭光灿团队未来研究的重点方向之一。

2021年，郭光灿凭借《基于量子信息技术研究量子物理基本问题》获得2020年度国家自然科学奖二等奖。

如今，已是耄耋之年的郭光灿院士仍奋斗在量子前线、致力于推动行业的产业化发展。2022年底，郭光灿在《人民日报》发文《量子计算—— 强大算力 广阔前景》表示，“期待我国在不断使用中提升量子专用机的性能，形成‘研制—使用’的良好发展生态。这需要我们准确分析量子计算软硬件技术的研发和应用前景，科学合理制定整体发展战略，明确近期、中长期目标，分阶段投入并考核，以推动量子计算机更好更快发展，助力我国社会主义现代化建设。”

探索仍将继续，郭光灿坚信，量子计算机一定能走出实验室，开始工程化建设，最终走向产业化，被所有的国人用上。

参考链接：

[1]https://news.ustc.edu.cn/info/1055/82885.htm

[2]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00213

[3]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_21514729

[4]http://www.news.cn/2022-06/15/c_1128740648.htm

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/ss_I-KlQfrnYrQnM6iUuMg