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(dǎo)量子芯片上實現(xiàn)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對拉比頻率誤差的絕對優(yōu)勢。該成果以研究長文的形式發(fā)表在4月25日出版的國際應(yīng)用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

超導(dǎo)量子比特是公認的最有希望實現(xiàn)量子計算的幾個物理系統(tǒng)之一，目前正處于含噪聲中等尺度量子計算階段，超過50個比特的樣品和基礎(chǔ)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(dǎo)量子計算的進一步發(fā)展，如何實現(xiàn)對操控噪聲不敏感的高保真度量子邏輯操控是實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的關(guān)鍵。幾何量子計算是利用幾何相位來實現(xiàn)量子邏輯門操作的量子計算策略，其特點是利用幾何位相的整體幾何性質(zhì)來避免某些局域無規(guī)噪聲的影響，從而實現(xiàn)高保真度的量子邏輯門。因此，基于阿貝爾和非阿貝爾幾何相位的幾何與和樂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

圖1 (a)“夸父”6比特超導(dǎo)量子芯片電鏡圖，前兩個相鄰的比特被用于展示本文的實驗。(b)傳統(tǒng)動力學(xué)門方案(Dyn)、過去的非絕熱幾何相位門方案(NGQC)和本文實現(xiàn)的短路徑非絕熱幾何相位門方案(SP-NGQC)的演化路徑在參數(shù)空間的直觀對比。

近年來，國際上其他課題組已經(jīng)在超導(dǎo)，離子阱等平臺上演示了幾何相位，并且實現(xiàn)了幾何相位門操作。但是之前的門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，大大延長了門操作時間，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單的能級結(jié)構(gòu)，提升門的操作速度是幾何量子計算領(lǐng)域研究的重中之重。

圖2圖2 單比特短路徑非絕熱幾何相位門的插入式隨機基準測試結(jié)果。

圖3

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的操作保真度與傳統(tǒng)動力學(xué)門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均優(yōu)于傳統(tǒng)動力學(xué)門。

基于這些出發(fā)點，我實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(dǎo)量子處理器上實現(xiàn)了一種“半橘瓣”的短路徑非絕熱幾何門集合，演化時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行了表征，實現(xiàn)了單比特門平均保真度為99.86%和兩比特CZ門保真度為97.9 %。此外，研究人員還展示了單比特門相對于拉比頻率誤差，比傳統(tǒng)的動力學(xué)門具有更好的魯棒性。該方案不僅適用于超導(dǎo)量子計算，也同時使用于其他量子計算物理實現(xiàn)方案，如半導(dǎo)體量子點，離子阱等。

中科院量子信息重點實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。