中國科大郭光燦團隊在非絕熱幾何量子計算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團隊郭國平教授研究組與本源量子計算公司合作，在本源“夸父”6比特超導量子芯片上實(shí)現了演化路徑縮短近兩倍的非絕熱幾何量子計算，并展示了單比特幾何相位門(mén)對拉比頻率誤差的絕對優(yōu)勢。該成果以研究長(cháng)文的形式發(fā)表在4月25日出版的國際應用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。
超導量子比特是公認的最有希望實(shí)現量子計算的幾個(gè)物理系統之一，目前正處于含噪聲中等尺度量子計算階段，超過(guò)50個(gè)比特的樣品和基礎的糾錯算法已經(jīng)被展示。但是控制和環(huán)境噪聲限制了超導量子計算的進(jìn)一步發(fā)展，如何實(shí)現對操控噪聲不敏感的高保真度量子邏輯操控是實(shí)現大規模量子計算的關(guān)鍵。幾何量子計算是利用幾何相位來(lái)實(shí)現量子邏輯門(mén)操作的量子計算策略，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)規噪聲的影響，從而實(shí)現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。(b)傳統動(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)的演化路徑在參數空間的直觀(guān)對比。
近年來(lái)，國際上其他課題組已經(jīng)在超導，離子阱等平臺上演示了幾何相位，并且實(shí)現了幾何相位門(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態(tài)上，大大延長(cháng)了門(mén)操作時(shí)間，要么利用了更多的能級，增加了量子比特狀態(tài)泄露出計算空間的風(fēng)險。如何在保證魯棒性的前提下利用最簡(jiǎn)單的能級結構，提升門(mén)的操作速度是幾何量子計算領(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)的插入式隨機基準測試結果。
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動(dòng)力學(xué)門(mén)的操作保真度在全參數空間比較，單比特短路徑非絕熱幾何相位門(mén)均優(yōu)于傳統動(dòng)力學(xué)門(mén)。
基于這些出發(fā)點(diǎn)，我實(shí)驗室郭國平教授研究組與本源量子計算公司合作，在“夸父”超導量子處理器上實(shí)現了一種“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)層析和插入式隨機基準測試方法對其進(jìn)行了表征，實(shí)現了單比特門(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)相對于拉比頻率誤差，比傳統的動(dòng)力學(xué)門(mén)具有更好的魯棒性。該方案不僅適用于超導量子計算，也同時(shí)使用于其他量子計算物理實(shí)現方案，如半導體量子點(diǎn)，離子阱等。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室楊鑫鑫博士為論文第一作者，郭國平教授為論文通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.044076
（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室、物理學(xué)院、中科院量子信息和量子科技創(chuàng )新研究院、科研部）
