近日，由中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在半导体量子比特扩展方面取得新进展：该实验室半导体量子芯片研究组教授郭国平与其同事肖明、李海欧、曹刚等人创新性地设计并制备了半导体六量子点芯片，并在实验上实现了三量子比特的Toffoli门操控。这是国际上首个在半导体量子点体系中实现的三量子比特逻辑门，为未来集成化半导体量子芯片的研制奠定了基础。相关研究成果发表《物理评论应用》上。
开发与现代半导体工艺兼容的半导体全电控量子芯片是量子计算机研制的重要方向之一。半导体量子点量子比特的制备、操控和多比特扩展是该研究方向的核心任务。郭国平研究组长期致力于半导体量子芯片的开发，目标是掌握半导体量子芯片制备与操控的核心工艺技术，先后于2013年实现半导体量子点单电荷量子比特超快普适量子逻辑门，2015年实现半导体量子点两电荷量子比特的控制非逻辑门，并以此构建了基于半导体电荷量子比特的单比特和两比特逻辑门单元库。
三量子比特Toffoli门由两个控制比特和一个目标比特构成，目标比特的量子态受控于两个控制比特的量子态，是量子计算研究中一个普适的量子逻辑门。Toffoli门是构建量子纠错码的关键元素之一，用单比特门和两比特门组合来构建三量子比特Toffoli门需要多达6个两比特控制非门和10个单比特门。因此，一次性构建三量子比特Toffoli门可以大幅减少量子比特门操控的次数，突破现有退相干时间的限制，进一步提高量子计算的效率。研究者通过理论计算分析，设计了T型电极开口式六量子点结构，该结构使得控制比特与目标比特有较强的耦合，同时两个控制比特之间的耦合较小，很好地满足了实现两个控制比特对目标比特受控非门的操控要求，利用优化设计的高频脉冲量子测控电路，成功实现了世界上第一个基于半导体量子点体系的三电荷量子比特Toffoli逻辑门，为可扩展、可集成化半导体量子芯片的研制奠定了基础。
审稿人认为该工作是基于半导体量子点量子计算方面的一个重要进展，表示“这项工作详细、清楚地表明了高水平的实验技术，并将给从事全电控量子点量子计算研究领域的科研工作者带来极高的研究兴趣”。
该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的资助。
三量子比特结构示意图：左侧双量子点是目标比特，右侧双量子点和下面双量子点各自构成一个控制比特去操控目标比特（和表示量子比特的两种状态）。
