開發(fā)與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝兼容的半導(dǎo)體全電控量子芯片是量子計算機研制的重要方向之一。半導(dǎo)體量子點量子比特的制備、操控和多比特擴展是該研究方向的核心任務(wù)。郭國平研究組長期致力于半導(dǎo)體量子芯片的開發(fā)，目標是掌握半導(dǎo)體量子芯片制備與操控的核心工藝技術(shù)，先后于2013年實現(xiàn)了半導(dǎo)體量子點單電荷量子比特超快普適量子邏輯門(Nature Communications. 4:1401 (2013))，2015年實現(xiàn)了半導(dǎo)體量子點兩電荷量子比特的控制非邏輯門(Nature Communications. 6:7681 (2015))，并以此構(gòu)建了基于半導(dǎo)體電荷量子比特的單比特和兩比特邏輯門單元庫。

三量子比特Toffoli門由兩個控制比特和一個目標比特構(gòu)成，目標比特的量子態(tài)受控于兩個控制比特的量子態(tài)，是量子計算研究中一個普適的量子邏輯門。Toffoli門是構(gòu)建量子糾錯碼的關(guān)鍵元素之一，用單比特門和兩比特門組合來構(gòu)建三量子比特Toffoli門需要多達六個兩比特控制非門和十個單比特門，因此一次性構(gòu)建三量子比特Toffoli門可以大幅減少量子比特門操控的次數(shù)，突破現(xiàn)有退相干時間的限制，進一步提高量子計算的效率。研究者通過理論計算分析，設(shè)計了T型電極開口式六量子點結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得控制比特與目標比特有較強的耦合，同時兩個控制比特之間的耦合較小，很好地滿足了實現(xiàn)兩個控制比特對目標比特受控非門的操控要求，利用優(yōu)化設(shè)計的高頻脈沖量子測控電路，成功實現(xiàn)了世界上第一個基于半導(dǎo)體量子點體系的三電荷量子比特Toffoli邏輯門，為可擴展、可集成化半導(dǎo)體量子芯片的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。