我校郭光燦院士團隊在量子比特操控方案研究中取得重要進(jìn)展。該團隊郭國平教授、李海歐教授和龔明教授等人與紐約州立大學(xué)布法羅分校胡學(xué)東教授以及本源量子計算有限公司合作，對量子點(diǎn)系統中常見(jiàn)的多能級系統的量子調控展開(kāi)研究，發(fā)現一種新的、實(shí)用的多能級調控方案。在該方案中，通過(guò)調控微波驅動(dòng)頻率、幅值等參數，可以實(shí)現任意能級結構，進(jìn)而實(shí)現高速、抗噪聲的量子比特操控。這種操控方案為實(shí)現高保真度量子比特操作提供了一種新途徑。該研究成果發(fā)表在4月19日出版的國際應用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。
量子態(tài)的操控和演化在量子計算領(lǐng)域具有重要應用。所有的量子門(mén)操作，本質(zhì)上都是這種操控的結果。這一原理被用廣泛用于原子、超導比特、半導體量子點(diǎn)電荷和自旋比特等系統中，并在這些系統中實(shí)現了多種高保真度量子比特門(mén)。如果有效能級越簡(jiǎn)單，則操控越容易，精度越高。相反，當量子系統能級結構較為復雜時(shí)，對它們的調控就會(huì )非常復雜，而且可能出現各種串擾等。以半導體自旋量子比特系統為例，一個(gè)兩比特系統的理論模型為五能級結構。使用微波驅動(dòng)這樣的五能級系統時(shí)，系統中不同的相干過(guò)程相互影響，使得整個(gè)演化過(guò)程難以分析和控制。目前，相關(guān)方面的研究大多局限在各種近似條件下，這些限制不利于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與利用微波驅動(dòng)進(jìn)行比特操控。
為了研究驅動(dòng)場(chǎng)對多能級系統的影響，以往的工作往往采用數值模擬或將多能級系統約化為二能級系統等。然而，這些方法無(wú)法全面清晰地描述實(shí)驗中表現出的復雜現象。所以，在理論上尋找合適的參考系（或者基矢），可能使問(wèn)題得到極大的簡(jiǎn)化。這種方法曾被運用在超導比特中，并在量子模擬方面發(fā)揮了重要作用。在量子點(diǎn)比特中，它的調控更加復雜，目前還沒(méi)有相關(guān)的工作報道。
在這個(gè)工作中，研究人員通過(guò)將一個(gè)穿梭態(tài)（Shuttle state）和所有其它能級耦合，并通過(guò)控制它的振動(dòng)幅度和頻率，可以選擇實(shí)現任意兩個(gè)能級之間的等效耦合。這是因為它們的Floquet動(dòng)力學(xué)的有效模型可以通過(guò)這些參數實(shí)現任意需要的等效模型，從而實(shí)現它們的量子門(mén)操控。結果證明，在實(shí)驗參數范圍內，這個(gè)方案可以在很大范圍內實(shí)現需要的耦合，并保持很高的操控速度。利用這個(gè)方法，研究人員理論證明了任意單比特門(mén)和兩比特門(mén)操控，保真度超過(guò)99%。這個(gè)模型甚至還可以解釋以前在實(shí)驗上不能解釋的一些新奇的奇偶效應。這種新的方案為對多能級系統中的量子門(mén)操作提供了新的實(shí)驗思路。
在該方案中，穿梭態(tài)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它不僅可以實(shí)現任意兩個(gè)能級之間的有效耦合，還可以作為探測的手段。通過(guò)對穿梭態(tài)的測量，可以實(shí)現對量子態(tài)的非破壞性測量。這個(gè)理論方案可能有重要用途，這是因為本文討論的多能級系統，不僅出現在半導體量子點(diǎn)中，也出現在幾乎所有其它的物理體系中，包括原子、離子、超導比特等。結構越復雜，集成度越高，能級就可能越復雜。所以通過(guò)將這些方案做合適改進(jìn)，同時(shí)選擇合適的參數，可以在其它模型中實(shí)現類(lèi)似的任意門(mén)操控——如果可以實(shí)現這一點(diǎn)，本文提出來(lái)的新的方案可能對量子門(mén)操控產(chǎn)生重要的價(jià)值，并可能促進(jìn)多比特量子門(mén)操控的實(shí)現。
圖 1 利用等效模型描述含時(shí)驅動(dòng)多能級系統演化示意圖。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室博士生周圓為論文第一作者。龔明教授、李海歐教授為論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院以及安徽省的資助。李海歐教授得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.044053
（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）
