中國科大在多能級量子比特操控方案中取得重要進展

我校郭光燦院士團隊在量子比特操控方案研究中取得重要進展。該團隊郭國平教授、李海歐教授和龔明教授等人與紐約州立大學布法羅分校胡學東教授以及本源量子計算有限公司合作，對量子點系統(tǒng)中常見的多能級系統(tǒng)的量子調控展開研究，發(fā)現(xiàn)一種新的、實用的多能級調控方案。在該方案中，通過調控微波驅動頻率、幅值等參數(shù)，可以實現(xiàn)任意能級結構，進而實現(xiàn)高速、抗噪聲的量子比特操控。這種操控方案為實現(xiàn)高保真度量子比特操作提供了一種新途徑。該研究成果發(fā)表在4月19日出版的國際應用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

量子態(tài)的操控和演化在量子計算領域具有重要應用。所有的量子門操作，本質上都是這種操控的結果。這一原理被用廣泛用于原子、超導比特、半導體量子點電荷和自旋比特等系統(tǒng)中，并在這些系統(tǒng)中實現(xiàn)了多種高保真度量子比特門。如果有效能級越簡單，則操控越容易，精度越高。相反，當量子系統(tǒng)能級結構較為復雜時，對它們的調控就會非常復雜，而且可能出現(xiàn)各種串擾等。以半導體自旋量子比特系統(tǒng)為例，一個兩比特系統(tǒng)的理論模型為五能級結構。使用微波驅動這樣的五能級系統(tǒng)時，系統(tǒng)中不同的相干過程相互影響，使得整個演化過程難以分析和控制。目前，相關方面的研究大多局限在各種近似條件下，這些限制不利于進一步開發(fā)與利用微波驅動進行比特操控。

為了研究驅動場對多能級系統(tǒng)的影響，以往的工作往往采用數(shù)值模擬或將多能級系統(tǒng)約化為二能級系統(tǒng)等。然而，這些方法無法全面清晰地描述實驗中表現(xiàn)出的復雜現(xiàn)象。所以，在理論上尋找合適的參考系（或者基矢），可能使問題得到極大的簡化。這種方法曾被運用在超導比特中，并在量子模擬方面發(fā)揮了重要作用。在量子點比特中，它的調控更加復雜，目前還沒有相關的工作報道。

在這個工作中，研究人員通過將一個穿梭態(tài)（Shuttle state）和所有其它能級耦合，并通過控制它的振動幅度和頻率，可以選擇實現(xiàn)任意兩個能級之間的等效耦合。這是因為它們的Floquet動力學的有效模型可以通過這些參數(shù)實現(xiàn)任意需要的等效模型，從而實現(xiàn)它們的量子門操控。結果證明，在實驗參數(shù)范圍內，這個方案可以在很大范圍內實現(xiàn)需要的耦合，并保持很高的操控速度。利用這個方法，研究人員理論證明了任意單比特門和兩比特門操控，保真度超過99%。這個模型甚至還可以解釋以前在實驗上不能解釋的一些新奇的奇偶效應。這種新的方案為對多能級系統(tǒng)中的量子門操作提供了新的實驗思路。

在該方案中，穿梭態(tài)發(fā)揮了關鍵作用。它不僅可以實現(xiàn)任意兩個能級之間的有效耦合，還可以作為探測的手段。通過對穿梭態(tài)的測量，可以實現(xiàn)對量子態(tài)的非破壞性測量。這個理論方案可能有重要用途，這是因為本文討論的多能級系統(tǒng)，不僅出現(xiàn)在半導體量子點中，也出現(xiàn)在幾乎所有其它的物理體系中，包括原子、離子、超導比特等。結構越復雜，集成度越高，能級就可能越復雜。所以通過將這些方案做合適改進，同時選擇合適的參數(shù)，可以在其它模型中實現(xiàn)類似的任意門操控——如果可以實現(xiàn)這一點，本文提出來的新的方案可能對量子門操控產生重要的價值，并可能促進多比特量子門操控的實現(xiàn)。

圖 1 利用等效模型描述含時驅動多能級系統(tǒng)演化示意圖。