我校郭光燦院士團隊在半導體量子點的量子態調控研究中取得重要進展。該團隊郭國平教授、李海歐教授與中國科學院物理研究所張建軍研究員以及本源量子等合作，在鍺硅雙量子點系統中實現了量子干涉和相干俘獲(CPT)。實驗上通過電場調控雙量子點系統中的空穴自旋態，不僅觀察到了在驅動和非驅動條件下的CPT，還揭示了縱向驅動場對CPT的重要調制效應(暗態調控和奇偶效應)。該工作對基于半導體量子點系統的量子模擬和量子計算具有重要的指導意義。研究成果以“Quantum Interference and Coherent Population Trapping in a Double Quantum Dot” 為題，于8月12日在線發表在國際納米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

量子干涉是量子力學中波粒二象性的自然表現形式，通常出現在原子尺度上。量子干涉的一個重要現象是CPT，它是由不同躍遷路徑之間干涉相消引起的，最早在光學系統的三能級原子中被觀察到。在這樣的三能級系統中，兩個狀態與第三個中間狀態耦合，當驅動場的頻率和相位被精確調諧時，這兩個狀態就會形成與中間態解耦的疊加態，這樣的疊加態被稱為“暗態”。因為處于該狀態的系統不會對探測場產生響應，導致出現電磁感應透明等有趣的現象。這個現象已經被廣泛研究并在諸如光學、超導電路和量子網絡等領域中得到了應用。進一步，通過絕熱調節暗態的控制參數，可以實現快速狀態初始化和受激拉曼絕熱通道過程（STIRAP），這在量子信息處理中具有重要意義。

在這項研究中，研究人員展示了如何在半導體雙量子點系統中實現CPT。與傳統的三能級原子系統不同，在雙量子點系統中無需外部驅動場即可實現內在的CPT過程。通過測量泡利自旋阻塞狀態下的漏電流，研究人員在無磁場條件下觀察到了顯著的電流抑制現象，這表明暗態的形成和CPT的發生。進一步，研究人員通過縱向驅動雙量子點系統，展示了選擇性地創建暗態及其相關CPT過程的調控能力。

該研究還深入探討了縱向驅動場引發的奇偶效應。研究人員觀察到，當系統的驅動頻率滿足一定條件時，出現了奇數和偶數階諧波對應的電流增強或抑制現象。這種效應為理解和應用CPT提供了新的視角。此外，研究表明，通過調節縱向驅動場，CPT的信號強度和寬度可以得到有效調控，這為基于CPT的量子門操作提供了一種新的途徑。

該研究工作表明，半導體量子點系統不僅是理解量子干涉現象的理想平臺，也是實現高精度量子信息處理的有力工具。研究工作清晰地展示了縱向驅動雙量子點系統的潛在可調性，開啟了基于STIRAP的量子門操作的新途徑。有望在未來基于半導體量子點的量子計算和量子模擬技術的實際應用中發揮重要作用。

圖1. (a) 雙量子點結構掃描電子顯微鏡圖片，橫截面示意圖在插圖中展示。(b) 雙量子點系統中單重態和三重態能級以及輸運電流形成示意圖。(c) 縱向驅動下輸運電流隨著外磁場B與驅動頻率的關系。從測量結果中可以明顯地觀察到多組共振譜線，這樣的奇偶效應是縱向耦合帶來調制效應的直接證據。

中國科學院量子信息重點實驗室博士生周圓為論文的第一作者。李海歐教授和郭國平教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院以及安徽省的資助。李海歐教授得到了中國科學技術大學仲英青年學者項目的資助。

論文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01781

（中國科學院量子信息重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院、科研部）