量子信息中心孫麓巖研究組實(shí)現(xiàn)邏輯比特上錯(cuò)誤透明的相位門操作
量子信息中心孫麓巖研究組實(shí)現(xiàn)邏輯比特上錯(cuò)誤透明的相位門操作
2020年05月14日 瀏覽次數(shù): 0
清華大學(xué)交叉信息研究院孫麓巖研究組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒長(zhǎng)鈴研究組合作，在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中基于微波光子二項(xiàng)式量子糾錯(cuò)碼首次實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤透明的相位門操作，可以容忍邏輯門操作中發(fā)生的錯(cuò)誤。該成果論文《Error-transparent operations on a logical qubit protected by quantum error correction》（《由量子糾錯(cuò)保護(hù)的單邏輯比特上錯(cuò)誤透明的操作》）近日在線發(fā)表于Nature Physics（《自然?物理》）雜志上。
眾所周知，量子計(jì)算在某些問題的處理能力上比經(jīng)典計(jì)算有指數(shù)級(jí)別的提升，在近二十年來成為一個(gè)熱門的研究方向。然而，在實(shí)際的量子系統(tǒng)中，與環(huán)境耦合而產(chǎn)生的噪聲與退相干使得量子門的保真度遠(yuǎn)未達(dá)到可以處理實(shí)際問題的程度。為了克服這個(gè)困難，可容錯(cuò)量子計(jì)算不僅要求對(duì)存儲(chǔ)量子信息的邏輯比特進(jìn)行量子糾錯(cuò)保護(hù)，而且還需要對(duì)邏輯比特操控的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行保護(hù)，從而得到可靠的量子邏輯門。近些年來，量子糾錯(cuò)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上得到了演示，然而在受量子糾錯(cuò)保護(hù)的邏輯比特上進(jìn)行可容錯(cuò)的量子門操作依然是個(gè)難題。
在通常由多個(gè)物理比特編碼一個(gè)邏輯比特的框架下，容錯(cuò)的邏輯門操作主要由橫向門與魔術(shù)態(tài)蒸餾組成，它的實(shí)現(xiàn)需要大量資源，非常具有挑戰(zhàn)性。另一種實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子門的方法被稱作錯(cuò)誤透明的量子門。該理論也首先在多物理比特編碼的框架下被提出，其實(shí)現(xiàn)方式需要多比特的同時(shí)耦合，因此實(shí)驗(yàn)上也非常難以實(shí)現(xiàn)。2019年，孫麓巖研究組首先在實(shí)驗(yàn)中采用玻色量子編碼，實(shí)現(xiàn)了基于微波光子的二項(xiàng)式量子糾錯(cuò)碼，從而可以緩解光子損耗對(duì)光子攜帶的量子信息的影響，并首次實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特的量子糾錯(cuò)和通用量子門操控（Nature Physics 15, 503–508 (2019)）。現(xiàn)在，他們進(jìn)一步考慮對(duì)糾錯(cuò)碼的量子門操作中的錯(cuò)誤，將錯(cuò)誤透明的概念拓展到玻色編碼的邏輯比特上，演示了基于玻色編碼的邏輯量子比特上的錯(cuò)誤透明相位門操作。
圖1： 錯(cuò)誤透明的量子操作的示意圖。
實(shí)驗(yàn)樣品由一個(gè)超導(dǎo)量子比特，一個(gè)快速讀取腔和一個(gè)高壽命存儲(chǔ)腔構(gòu)成，而邏輯比特是對(duì)存儲(chǔ)腔中的光子態(tài)進(jìn)行二項(xiàng)式編碼構(gòu)成。錯(cuò)誤透明的門操作要求邏輯比特在編碼空間和錯(cuò)誤空間的演化完全一致。為此，研究組在實(shí)驗(yàn)中發(fā)展了一種新的量子比特驅(qū)動(dòng)技術(shù)，稱之為“PASS”（Photon-number-resolved AC-Stark Shift）。由于超導(dǎo)量子比特與存儲(chǔ)腔有著極強(qiáng)的色散耦合，超導(dǎo)比特的本征頻率會(huì)隨著存儲(chǔ)腔內(nèi)的光子數(shù)的變化而變化。因此，在接近超導(dǎo)比特本征頻率的頻域范圍內(nèi)施加非共振驅(qū)動(dòng)，就能誘導(dǎo)出存儲(chǔ)腔內(nèi)各個(gè)光子數(shù)態(tài)可控的頻率偏移。通過設(shè)計(jì)這種頻率偏移，邏輯比特在編碼空間和錯(cuò)誤空間可以進(jìn)行完全相同的相位門演化，從而可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤透明的相位門。實(shí)驗(yàn)顯示，在發(fā)生錯(cuò)誤的情況下，錯(cuò)誤透明的相位門的表現(xiàn)確實(shí)比普通的相位門有顯著的提升；而且在連續(xù)糾錯(cuò)的情況下，邏輯比特在錯(cuò)誤透明的相位門操作下比普通相位門有更加優(yōu)異的相干壽命，展示了該相位門的容錯(cuò)性。
圖2：錯(cuò)誤透明的相位門操作過程中隨機(jī)發(fā)生的錯(cuò)誤可以在其完成之后通過量子糾錯(cuò)來糾正, 其相干性能的表現(xiàn)比普通相位門有明顯的提升，展示了很好的容錯(cuò)性。
該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的錯(cuò)誤透明的相位門是近幾年來在量子糾錯(cuò)方面的一個(gè)重要進(jìn)展。其實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤透明相位門的技術(shù)可以很容易擴(kuò)展到Hadamard門以及兩邏輯比特門，從而能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤透明的通用量子門，為將來基于玻色子編碼的容錯(cuò)量子計(jì)算提供了一種新思路.
論文共同通訊作者為孫麓巖副教授和鄒長(zhǎng)鈴副研究員。清華大學(xué)交叉信息研究院2016級(jí)直博生馬雨瑋為文章一作，其他作者還包括徐源、穆相豪、蔡偉州、胡玲、王韋婷、潘嘯軒、王海艷、宋祎璞等。此項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等支持。
論文鏈接：Nat. Phys. s41567-020-0893-x (2020)
https://www.nature.com/articles/s41567-020-0893-x
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