基于半导体的超导量子比特因其频率可被栅极电场调控，为量子计算提供了一个诱人的技术路线。该技术也为探测半导体-超导复合器件中丰富的物理提供了一个新的方法，比如半导体-超导纳米线中被预言存在马约拉纳零能模。故基于此纳米线的超导transmon量子比特（也称为gatemon）为拓扑量子计算中的编织操作提供了一种快速调控手段。在之前的研究中，gatemon比特器件已被成功地放置于一个2D超导平面谐振腔中【见张浩课题组和合作者近期的工作：《2D腔中基于细InAs-Al纳米线的gatemon》， Gatemon qubit based on a thin InAs-Al hybrid nanowire, CPL 40， 047302（2023）】。而用3D腔对gatemon进行操控和读取则面临着很大的技术挑战，因为栅极的存在会极大恶化3D腔的品质因子。最近，张浩老师课题组又提出了一种新的3D腔-比特设计方案，实现了栅极兼容的3D gatemon量子比特器件。
（a）3D腔-比特器件实物图；(b-d) 设计示意图；(e-h)量子比特器件逐级放大图；(i) 3D铜腔品质因子拟合；（j）比特诱导的腔频移动；（k）栅极调控的腔频移动；（l）比特能谱；（m）时域拉比测量。
该设计的主要改进是在3D腔的内侧壁上挖一个“洞”（壁龛），用以放置量子比特器件和栅极。由于3D腔中的微波光子在壁龛中电磁场极弱，故其品质因子不会受到栅极以及器件的影响。该工作为用3D腔探测和操控栅极可调的量子器件打开了局面，以 “Gate-compatible circuit quantum electrodynamics in a three-dimensional cavity architecture”为题发表在 Physical Review Applied 上。第一作者为物理系研究生夏泽洲、霍杰荣、李宗霖，前博士后应江华，以及北京量子信息科学研究院的刘玉龙副研究员。InAs-Al纳米线由中科院半导体所潘东-赵建华团队提供。通讯作者为物理系张浩副教授。该工作得到了国家自然科学基金委，科技部，清华大学自主科研计划，清华大学低维量子物理国家重点实验室，量子信息前沿科学中心，北京市科委的资助。
文章链接： https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.21.034031
来源：https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1248/5879.htm
