為可實用大規(guī)模量子計算提供可能
【科技前沿】
科學家在固態(tài)體系首次實現(xiàn)高保真度量子受控非門
為可實用大規(guī)模量子計算提供可能
光明日報合肥2月5日電(記者丁一鳴 通訊員王敏)日前,中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士、石發(fā)展教授等在量子操控領域取得重要進展,基于金剛石氮-空位(NV)色心量子比特實現(xiàn)了保真度99.92%的量子CNOT門(量子受控非門)。相關研究成果發(fā)表于《物理評論快報》。
高保真兩比特量子門在量子信息處理,特別是容錯量子計算中起著至關重要的作用。然而,量子比特會不可避免地與環(huán)境發(fā)生相互作用,這極大地降低了邏輯門的保真度,對于固態(tài)量子系統(tǒng)更是如此。經過幾十年的努力,超導、離子阱、固態(tài)缺陷和量子點等量子系統(tǒng),已經實現(xiàn)了保真度超過容錯閾值(約99%)的兩比特門。然而,可實用的大規(guī)模量子計算要求門保真度至少達到99.9%,此前僅離子阱體系實現(xiàn)了保真度約為99.9%的兩比特門。固態(tài)體系由于受到更為嘈雜的固態(tài)環(huán)境的干擾,實現(xiàn)超過99.9%保真度的兩比特門是一項艱巨的挑戰(zhàn)。
理論上,通過量子糾錯過程,只要在物理比特上實現(xiàn)錯誤低于容錯閾值的量子門,就可以在邏輯比特上獲得錯誤更小的量子門。類似的,通過動力學糾錯,如果環(huán)境噪聲的非馬爾科夫性能被充分利用,物理比特上的門錯誤可以在多個操控脈沖之間相互抵消。因此,通過結合上述兩個層次的糾錯,對初始的門保真度要求可以大大降低,這為基于現(xiàn)實中不完美的設備實現(xiàn)通用量子計算提供了一條可行的路徑。然而,由于量子糾錯過程本身會產生額外的復雜度,往往很難在實驗上獲得更高保真度的量子門。當動力學糾錯的方法應用于兩比特量子門時,也會遇到類似的問題,往往會沒有精確地掌握噪聲特性,使用更復雜的脈沖和更長的操控時間反而會造成更大的錯誤。
此次工作中,研究團隊通過對噪聲的細致測量,建立了一個準確且完整的噪聲模型,其中包括靜態(tài)噪聲、含時噪聲以及量子噪聲?;趧恿W糾錯的思想,研究人員對形狀脈沖進行了精巧的設計,使其能抵抗噪聲模型中的各種磁噪聲,最終將磁噪聲對CNOT門的影響降低了兩個數(shù)量級,降至10的負4次方以下。經過實驗,研究人員測得形狀脈沖實現(xiàn)的CNOT門保真度為99.920(7)%,并分析得知,剩余錯誤主要來自于形狀脈沖的失真以及電子自旋的縱向弛豫。這二者皆可在技術上被進一步消除,因此未來有望將CNOT門保真度進一步提高到99.99%以上。
研究人員認為,該工作的方法是通用的,可進一步推廣至其他固態(tài)體系,如硅量子點、金剛石和碳化硅中的其他缺陷、稀土摻雜系統(tǒng)等。
《光明日報》( 2023年02月06日 08版)
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