近日，浙江大学信电学院刘峰研究员团队在《Physical Review Letters》上发表题为 “All-Optical Ultrafast Arbitrary Rotation of Hole Orbital Qubits with Direct Phase Control”的研究工作。

研究背景

量子信息技术的发展离不开对量子比特的完备操控。最近，半导体量子点中的轨道自由度因其高保真度操纵和接近寿命极限的相干性的特点，逐渐成为量子点固态量子比特研究的热门候选。然而，由于对量子点中轨道态量子比特的操控因缺乏合适的光学操控方法，对轨道量子比特的任意旋转还未被实现。

研究亮点

本研究展示了通过光学手段实现对轨道量子比特的相干任意旋转。这一突破是通过利用驱动辐射俄歇过程介导的受激拉曼跃迁实现的。研究采用双色光脉冲精确控制布洛赫矢量的极化角和方位角，首次实现无需时间预旋进的轨道量子比特直接相位控制。实验表明，通过调节拉曼脉冲的幅度和相位，可以在布洛赫球上将量子比特驱动至任意位置，证明了对轨道态量子比特的完备操纵能力。

图1. (a) 受激拉曼跃迁过程的能级图。(b) 量子比特读出。(c) 轨道态量子比特的布洛赫球表示。(d) 实验装置示意图。 (e) 实验测得的荧光光谱。

图2. (a) 实现完备量子操纵的脉冲序列与对应的向量轨迹。(b) 实验测得的量子态布局数随着脉冲相位和面积变化的等高线图。(c) 仿真测得的量子态布局数随着脉冲相位和面积变化的等高线图。

总结

本研究实现了对半导体量子点中轨道态量子比特的超快完备控制，为光量子计算和高维量子信息处理提供了新的固态量子比特资源。该工作不仅简化了实验装置，还可扩展至其他高轨道态的操控，为未来在二维材料、胶体纳米结构等领域的应用奠定了基础。