本源量子和中科大團(tuán)隊(duì)合作在多能級(jí)量子比特操控上實(shí)現(xiàn)新進(jìn)展

近日，本源量子和中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平教授、李海歐教授和龔明教授等人以及紐約州立大學(xué)布法羅分校胡學(xué)東教授合作，在量子點(diǎn)系統(tǒng)中常見(jiàn)的多能級(jí)系統(tǒng)的量子調(diào)控上實(shí)現(xiàn)新進(jìn)展，通過(guò)調(diào)控微波驅(qū)動(dòng)頻率、幅值等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)任意能級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速、抗噪聲的量子比特操控，這種操控方案為實(shí)現(xiàn)高保真度量子比特操作提供了一種新途徑。該研究成果已發(fā)表在國(guó)際應(yīng)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(jì)算領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。所有的量子門(mén)操作，本質(zhì)上都是這種操控的結(jié)果。這一原理被用廣泛用于原子、超導(dǎo)比特、半導(dǎo)體量子點(diǎn)電荷和自旋比特等系統(tǒng)中，并在這些系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多種高保真度量子比特門(mén)。如果有效能級(jí)越簡(jiǎn)單，則操控越容易，精度越高。相反，當(dāng)量子系統(tǒng)能級(jí)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，對(duì)它們的調(diào)控就會(huì)非常復(fù)雜，而且可能出現(xiàn)各種串?dāng)_等。以半導(dǎo)體自旋量子比特系統(tǒng)為例，一個(gè)兩比特系統(tǒng)的理論模型為五能級(jí)結(jié)構(gòu)。使用微波驅(qū)動(dòng)這樣的五能級(jí)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)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(qū)動(dòng)進(jìn)行比特操控。

為了研究驅(qū)動(dòng)場(chǎng)對(duì)多能級(jí)系統(tǒng)的影響，以往的工作往往采用數(shù)值模擬或?qū)⒍嗄芗?jí)系統(tǒng)約化為二能級(jí)系統(tǒng)等。然而，這些方法無(wú)法全面清晰地描述實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出的復(fù)雜現(xiàn)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(yùn)用在超導(dǎo)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(diào)控更加復(fù)雜，目前還沒(méi)有相關(guān)的工作報(bào)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(jí)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(xiàn)任意兩個(gè)能級(jí)之間的等效耦合。這是因?yàn)樗鼈兊腇loquet動(dòng)力學(xué)的有效模型可以通過(guò)這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)任意需要的等效模型，從而實(shí)現(xiàn)它們的量子門(mén)操控。結(jié)果證明，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，這個(gè)方案可以在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(yàn)上不能解釋的一些新奇的奇偶效應(yīng)。這種新的方案為對(duì)多能級(jí)系統(tǒng)中的量子門(mén)操作提供了新的實(shí)驗(yàn)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(xiàn)任意兩個(gè)能級(jí)之間的有效耦合，還可以作為探測(cè)的手段。通過(guò)對(duì)穿梭態(tài)的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)的非破壞性測(cè)量。這個(gè)理論方案可能有重要用途，這是因?yàn)楸疚挠懻摰亩嗄芗?jí)系統(tǒng)，不僅出現(xiàn)在半導(dǎo)體量子點(diǎn)中，也出現(xiàn)在幾乎所有其它的物理體系中，包括原子、離子、超導(dǎo)比特等。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，集成度越高，能級(jí)就可能越復(fù)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(shù)，可以在其它模型中實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的任意門(mén)操控——如果可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，本文提出來(lái)的新的方案可能對(duì)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(xiàn)。

圖 1 利用等效模型描述含時(shí)驅(qū)動(dòng)多能級(jí)系統(tǒng)演化示意圖。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院以及安徽省的資助。李海歐教授得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.044053

審核編輯 ：李倩