研究室简介


         半导体系统具有良好的可扩展、可集成特性,且与现代半导体工艺兼容,被认为是最有可能量子计算的体系之一,包括哈佛大学、普林斯顿大学、东京大学、代尔夫特理工大学、HRL、Intel等发达国家科研机构及企业均投入其中。 研究室围绕半导体量子计算开展系统研究,是国内半导体量子计算的领军团队,承担了国家重点研发计划、国家重点基础研究发展计划等多个国家重大、重点项目。研究室目前拥有约1000平米实验用房及价值9000余万的实验设备,建成了整套国际一流的半导体微纳加工平台和极低温量子比特测控平台,为半导体量子计算研究打下了扎实的基础,为后期实验工作创造了极为便利的条件。近年来研究室在半导体量子计算领域取得了系列重要研究成果,发表相关SCI论文80余篇,申请半导体量子计算核心专利20余项,先后实现半导体单量子比特超快普适逻辑门操控、两比特控制非门、三比特Toffoli门等等。

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负责人简介


         郭国平教授,主要从事半导体量子计算研究,在Nature Communications、Science Advances、Physical Review Letters、Nano Letters等国际学术期刊上发表SCI学术论文100余篇,被SCI引用1000多次。先后作为首席科学家承担国家重大科学研究计划A类“固态量子芯片研究”、国家重点研发计划“半导体量子芯片”项目。国家自然科学基金杰出青年、优秀青年基金获得者,入选中组部万人计划“青年拔尖人才”、教育部长江学者(青年学者)、新世纪优秀人才计划。获第十四届“中国青年科技奖”、中科院“卢嘉锡青年人才奖”等科技奖励。

研究室招生方向


        本实验室长期提供博士后与特任副研究员岗位。

        本实验室长期招收研究生。同时招收具有潜力的本科生参与到具体的实验工作中。

        一、硅基半导体量子点量子计算(肖明 教授;李海欧 研究员):在硅MOS和硅锗半导体材料上制备栅型电控量子点,利用电势场在纯硅中束缚单个电子,通过施加磁场获得不同电子自旋态,编码自旋量子比特,进一步利用交变磁场和微波操控自旋量子比特。近期研究包括量子比特逻辑门的实现、逻辑门保真度的提高和多量子比特逻辑门操控。远期目标实现基于硅MOS工艺的半导体量子点量子计算和量子模拟。

        二、半导体量子比特与微波谐振腔耦合(曹刚 研究员):利用微纳加工手段制备半导体量子比特与微波谐振腔集成器件,近期研究目标是利用微波谐振腔实现量子比特高保真度操控、读取;进一步利用微波谐振腔中的光子作为信息载体,完成不同比特间量子信息的电子—光子—电子交换,实现多量子比特长程耦合,构建可扩展半导体量子比特架构。

        三、半导体与超导杂化系统(郭国平 教授):使用约瑟夫森结与超导线路构成非线性量子系统,此系统可以看作人工二能级量子比特。半导体量子点与超导器件都使用光刻、沉积和刻蚀等微加工手段制备,非常适合制备杂化量子器件。目前已经能够制备多比特超导量子芯片、约瑟夫森参量放大器等器件,近期目标是实现高保真度多比特门操作,简单量子算法的演示。

        四、量子模拟(郭国平 教授;王保传博士后):量子模拟是量子计算技术的一种实际应用。基于半导体系统或半导体-超导杂化系统,通过微纳加工技术,设计微观器件,人工构造某种哈密顿量系统。通过电学手段操纵该哈密顿量的演化,从而可以直接读出最终态的结果。在半导体系统上,电学势阱约束的单个电子的电荷态(赝自旋)可以模拟真实的1/2自旋。近期目标是实现少数自旋系统(3个以上)量子模拟。

        五、纳米机械振子(宋骧骧 副研究员;张拙之 博士后):基于电学实验手段,在石墨烯等低维材料悬浮纳米机械振子器件上,研究材料物性,操控声子状态。近期目标包括:通过制备多个纳米机械振子级联器件,实现多个机械振动声子模式间的调控。进一步利用纳米机械振子与微波谐振腔、量子点复合器件,实现机械振动声子模式和谐振腔中光子以及量子点中电子的可控耦合。

        六、低温电子学(郭国平 教授;罗刚 博士后):基于半导体器件的低温测试,研究极低温下的器件特性,建立标准器件的低温模型工艺库。进而设计实现低温模拟和数字集成电路,应用在量子芯片测控系统中,是实用化量子计算的关键技术之一。近期目标包括:对标准工艺MOS器件进行低温直流、交流、射频、噪声测试和建模,基础数字与模拟电路的低温实现。

        七、量子人工智能与量子软件(吴玉椿 副教授, 陈昭昀 博士生):量子算法与应用组的主要研究方向是在NISQ器件上可运行的量子算法,并且实现量子加速。NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)意味着量子计算机拥有数百个量子比特,并且不进行量子纠错。尽管已经提出了很多量子算法,但是它们几乎都不能运行在NISQ上。人们相信NISQ器件可以在数年内诞生,所以这种算法和应用吸引了大量的人去研究。 我们有“量子软件”和“量子算法”两个团队去合作实现量子优势的目标。量子软件团队注重量子编程架构与语言的设计与优化,我们开发的QPanda在GitHub上开源(https://github.com/OriginQ/QPanda-2.0),以及是世界上首个实现了64量子比特虚拟机的团队(Science Bulletin, 2018, 63(15):964-971)。量子算法团队关注量子机器学习算法的开发,以及从理论上分析量子加速的起源。 。

我们研究室的成绩


        实现了砷化镓系统上的超快电荷单/双量子比特; [Link]
        实现了砷化镓系统上的三比特门操作,也是目前半导体系统最多比特门操作; [Link]
        实现了纳米机械振子长距离强耦合;[Link]
        我们与本源量子公司推出的量子云平台 [Link]

加入我们研究室,你可以学到什么


        加入我们研究室,你有机会亲手参与到量子计算机的研发工作中来,了解量子计算的基本原理,一块包含多个量子比特的量子芯片如何被制作出来,又如何对其进行控制和编程。从而能够回答“当我们谈论量子计算机时,实际在谈论什么”。
        同时,具体的,你将有机会接受到全面微纳加工培训以及极低温测量技术培训。这些技术不仅仅在量子计算,甚至在大多数凝聚态物理实验领域都占据着重要的位置。我们研究室拥有独立完备的纳米加工和测量平台,经验丰富的实验者将向你毫无保留地传授真实的实验技术与经验技巧。这是一个具有世界一流硬件水平的实验室,对于任何有志于学术工作和实验技术的同学,我们保证可以满足你的求知欲和创造欲。

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图1 我们研究室纳米加工超净间

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图2 左侧是我们研究室的稀释制冷机内部图,右边是IBM近日公布的50qubit系统制冷机内部图。

未来的出路


        即使你未来选择不从事学术工作,我们实验室依然是一个非常好的选择。量子计算是目前非常热门的研究领域,吸引了大量知名企业,如IBM,Google,Intel,的投资 [Link]。国内著名企业,如华为、百度和阿里巴巴,也都开始关注这个领域[Link]。作为国内半导体量子计算实验领域领军实验室,我们相信在这里的经历会对你未来的求职有极大的正面作用。甚至就在我们的合肥市,量子信息未来也将是政府大力支持的先进技术项目[Link]。同时,也欢迎通过以下联系方式,进一步与我们实验室已取得著名企业offer的师兄们进行交流。

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如何联系我们


        无论你是本校还是外校的本科生,想要保/考研,或者仅仅想在本科阶段了解一下真实的实验室,都欢迎你通过以下方式进一步了解并考虑加入我们。

        联系人: 曹刚 研究员 gcao@ustc.edu.cn