量子计算具有超强的运算能力 ， 可以解决经典计算不能有效解决的问题 ， 比如大数因子分解问题和无结构数据库搜索问题 。 然而量子计算的实现却面临着多方面的挑战 ， 其中一个主要挑战是克服控制误差 ， 以实现精确量子操作 。 几何相仅依赖于量子系统的演化路径而与演化快慢等细节无关 ， 因此基于几何相设计的量子门具有对控制误差的鲁棒性 。
最近 ， 浙江大学尹艺教授的实验组和山东大学仝殿民教授的理论组合作 ， 利用超导Xmon量子比特成功实现了基于非绝热几何相的量子门[1] ， 相关论文“Experimental realization of nonadiabatic geometric gates with a superconducting Xmon qubit” 以封面文章的形式发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy(《中国科学: 物理学 力学 天文学》英文版) 2021年第5期 。 同期发表了期刊副主编清华大学龙桂鲁教授以及上海师范大学冯勋立教授撰写的点评文章[2,3] 。
文章插图
在理论设计上 ， 研究者巧妙设计量子系统的演化路径 ， 使得任意单比特量子门只需要单个封闭演化路径就可实现 ， 避免了通常组合多个单比特门实现任意单比特门的操作 ， 缩短了实现非绝热几何量子门的操作时间 。 在具体实验上 ， 研究者利用超导Xmon的两个最低能级实现了几个常用的单比特门 ， 避免了由于第二激发态相干时间短的不利影响 。 研究者进一步利用量子过程层析和随机基准测试的方案对量子门的保真度进行了测量 ， 平均的保真度达99.6%和99.7% 。
基于非绝热几何相的量子门 ， 与基于绝热几何相的量子门相比 ， 具有可快速实现的优点 。 这是因为实现基于绝热几何相的量子门 ， 必须要求量子系统的演化满足由哈密顿量的时间变化率与能级差之比所决定的量化绝热条件 ， 该条件意味着系统的演化必须尽可能地缓慢 。 实现基于非绝热几何相的量子门 ， 系统不受绝热演化条件的限制 ， 可以快速实现量子操作 ， 同时非绝热几何量子门保持了几何相对控制误差的鲁棒性 。 另一方面 ， 基于超导Xmon的实验方案在可操控性和可扩展性方面具有优势 。 文中所使用的量子门的单路径设计方法同样适用于其他一些物理系统 ， 比如核磁共振系统、离子肼系统以及金刚石色心体系 。 该研究为几何量子计算的物理实现提供了一种有效途径 。
参考文献
通讯作者简介
尹艺
【量子门|利用超导量子比特实现基于非绝热几何相的量子门】浙江大学物理系教授 。 2009年获得哈佛大学物理系博士学位 ， 2009-2012年在加州大学圣芭芭拉分校进行博士后研究 。 2012年底加入浙江大学物理系 ， 独立建设了超导量子芯片的低温微波测控平台; 在超导量子体系里引入绝热捷径方法 ， 成功地进行了一系列关于几何贝里相位、拓扑相变、高精度量子门的相关工作 。 至今发表SCI文章共40余篇 ， 总引用4000余次 。
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