中國(guó)科大在超導(dǎo)量子計(jì)算非絕熱幾何量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展|全球觀焦點(diǎn)

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中國(guó)科大郭光燦團(tuán)隊(duì)在非絕熱幾何量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平教授研究組與本源量子計(jì)算公司合作，在本源“夸父”6比特超導(dǎo)量子芯片上實(shí)現(xiàn)了演化路徑縮短近兩倍的非絕熱幾何量子計(jì)算，并展示了單比特幾何相位門(mén)對(duì)拉比頻率誤差的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。該成果以研究長(zhǎng)文的形式發(fā)表在4月25日出版的國(guó)際應(yīng)用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

超導(dǎo)量子比特是公認(rèn)的最有希望實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的幾個(gè)物理系統(tǒng)之一，目前正處于含噪聲中等尺度量子計(jì)算階段，超過(guò)50個(gè)比特的樣品和基礎(chǔ)的糾錯(cuò)算法已經(jīng)被展示。但是控制和環(huán)境噪聲限制了超導(dǎo)量子計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)操控噪聲不敏感的高保真度量子邏輯操控是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的關(guān)鍵。幾何量子計(jì)算是利用幾何相位來(lái)實(shí)現(xiàn)量子邏輯門(mén)操作的量子計(jì)算策略，其特點(diǎn)是利用幾何位相的整體幾何性質(zhì)來(lái)避免某些局域無(wú)規(guī)噪聲的影響，從而實(shí)現(xiàn)高保真度的量子邏輯門(mén)。因此，基于阿貝爾和非阿貝爾幾何相位的幾何與和樂(lè)量子操控是量子物理和量子信息領(lǐng)域中非常重要的研究課題。

圖1 (a)“夸父”6比特超導(dǎo)量子芯片電鏡圖，前兩個(gè)相鄰的比特被用于展示本文的實(shí)驗(yàn)。(b)傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)方案(Dyn)、過(guò)去的非絕熱幾何相位門(mén)方案(NGQC)和本文實(shí)現(xiàn)的短路徑非絕熱幾何相位門(mén)方案(SP-NGQC)的演化路徑在參數(shù)空間的直觀對(duì)比。

近年來(lái)，國(guó)際上其他課題組已經(jīng)在超導(dǎo)，離子阱等平臺(tái)上演示了幾何相位，并且實(shí)現(xiàn)了幾何相位門(mén)操作。但是之前的門(mén)操作要么是基于絕熱的演化路徑，要求量子比特非常慢的演化到目標(biāo)態(tài)上，大大延長(zhǎng)了門(mén)操作時(shí)間，要么利用了更多的能級(jí)，增加了量子比特狀態(tài)泄露出計(jì)算空間的風(fēng)險(xiǎn)。如何在保證魯棒性的前提下利用最簡(jiǎn)單的能級(jí)結(jié)構(gòu)，提升門(mén)的操作速度是幾何量子計(jì)算領(lǐng)域研究的重中之重。

圖2 單比特短路徑非絕熱幾何相位門(mén)的插入式隨機(jī)基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。

圖3 固定的拉比頻率誤差下，單比特短路徑非絕熱幾何相位門(mén)的操作保真度與傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)的操作保真度在全參數(shù)空間比較，單比特短路徑非絕熱幾何相位門(mén)均優(yōu)于傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)。

基于這些出發(fā)點(diǎn)，我實(shí)驗(yàn)室郭國(guó)平教授研究組與本源量子計(jì)算公司合作，在“夸父”超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了一種“半橘瓣”的短路徑非絕熱幾何門(mén)集合，演化時(shí)間比之前的方法縮短了最高兩倍。研究人員使用態(tài)層析和插入式隨機(jī)基準(zhǔn)測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行了表征，實(shí)現(xiàn)了單比特門(mén)平均保真度為99.86%和兩比特CZ門(mén)保真度為97.9 %。此外，研究人員還展示了單比特門(mén)相對(duì)于拉比頻率誤差，比傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)門(mén)具有更好的魯棒性。該方案不僅適用于超導(dǎo)量子計(jì)算，也同時(shí)使用于其他量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)方案，如半導(dǎo)體量子點(diǎn)，離子阱等。

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