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            清華大學孫麓巖研究組合作實現邏輯比特上錯誤透明的相位門操作

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              清華大學交叉信息研究院孫麓巖研究組與中國科學技術大學鄒長鈴研究組合作,在超導量子系統中基於微波光子二項式量子糾錯碼首次實現瞭錯誤透明的相位門操作,可以容忍邏輯門操作中發生的錯誤。該成果論文“由量子糾錯保護的單邏輯比特上錯誤透明的操作”(Error-transparent operations on a logical qubit protected by quantum error correction)近日在線發表於《自然•物理》(Nature Physics)期刊上。

              眾所周知,量子計算在某些問題的處理能力上比經典計算有指數級別的提升,在近二十年來成為一個熱門的研究方向。然而,在實際的量子系統中,與環境耦合而產生的噪聲與退相幹使得量子門的保真度遠未達到可以處理實際問題的程度。為瞭克服這個困難,可容錯量子計算不僅要求對存儲量子信息的邏輯比特進行量子糾錯保護,而且還需要對邏輯比特操控的動力學過程進行保護,從而得到可靠的量子邏輯門。近些年來,量子糾錯已經在實驗上得到瞭演示,然而在受量子糾錯保護的邏輯比特上進行可容錯的量子門操作依然是個難題。

              在通常由多個物理比特編碼一個邏輯比特的框架下,容錯的邏輯門操作主要由橫向門與魔術態蒸餾組成,它的實現需要大量資源,非常具有挑戰性。另一種實現容錯量子門的方法被稱作錯誤透明的量子門。該理論也首先在多物理比特編碼的框架下被提出,其實現方式需要多比特的同時耦合,因此實驗上也非常難以實現。2019年,孫麓巖研究組首先在實驗中采用玻色量子編碼,實現瞭基於微波光子的二項式量子糾錯碼,從而可以緩解光子損耗對光子攜帶的量子信息的影響,並首次實現邏輯量子比特的量子糾錯和通用量子門操控(Nature Physics 15, 503–508 (2019))。現在,他們進一步考慮對糾錯碼的量子門操作中的錯誤,將錯誤透明的概念拓展到玻色編碼的邏輯比特上,演示瞭基於玻色編碼的邏輯量子比特上的錯誤透明相位門操作。

            錯誤透明的量子操作的示意圖

              實驗樣品由一個超導量子比特、一個快速讀取腔和一個高壽命存儲腔構成,而邏輯比特是對存儲腔中的光子態進行二項式編碼構成。錯誤透明的門操作要求邏輯比特在編碼空間和錯誤空間的演化完全一致。為此,研究組在實驗中發展瞭一種新的量子比特驅動技術,稱之為“PASS”(Photon-number-resolved AC-Stark Shift)。由於超導量子比特與存儲腔有著極強的色散耦合,超導比特的本征頻率會隨著存儲腔內的光子數的變化而變化。因此,在接近超導比特本征頻率的頻域范圍內施加非共振驅動,就能誘導出存儲腔內各個光子數態可控的頻率偏移。通過設計這種頻率偏移,邏輯比特在編碼空間和錯誤空間可以進行完全相同的相位門演化,從而可以實現錯誤透明的相位門。實驗顯示,在發生錯誤的情況下,錯誤透明的相位門的表現確實比普通的相位門有顯著的提升;而且在連續糾錯的情況下,邏輯比特在錯誤透明的相位門操作下比普通相位門有更加優異的相幹壽命,展示瞭該相位門的容錯性。

            錯誤透明的相位門操作過程中隨機發生的錯誤可以在其完成之後通過量子糾錯來糾正,其相幹性能的表現比普通相位門有明顯的提升,展示瞭很好的容錯性。

              該實驗實現的錯誤透明的相位門是近幾年來在量子糾錯方面的一個重要進展。其實現錯誤透明相位門的技術可以很容易擴展到Hadamard門以及兩邏輯比特門,從而能實現錯誤透明的通用量子門,為將來基於玻色子編碼的容錯量子計算提供瞭一種新思路。

              論文共同通訊作者為孫麓巖副教授和鄒長鈴副研究員。清華大學交叉信息研究院2016級直博生馬雨瑋為文章第一作者,其他作者還包括徐源(交叉信息院2013級直博生)、穆相豪(交叉信息院2015級直博生)、蔡偉州(交叉信息院2015級直博生)、胡玲(交叉信息院2013級直博生,已畢業)、王韋婷(交叉信息院2014級直博生,已畢業)、潘嘯軒(交叉信息院2017級直博生)、王海艷(交叉信息院助理研究員)、宋禕璞(交叉信息院研究員)等。此項目得到國傢重點基礎研究發展計劃、國傢自然科學基金等支持。