首次在固態(tài)體系實(shí)現(xiàn)保真度99.92%的量子CNOT門(mén)

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記者1月30日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展等人，基于金剛石氮-空位(NV)色心量子比特實(shí)現(xiàn)了保真度99.92%的量子CNOT門(mén)(量子受控非門(mén))。該項(xiàng)研究成果日前發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

中國(guó)科大供圖

高保真兩比特量子門(mén)在量子信息處理，特別是容錯(cuò)量子計(jì)算中起著至關(guān)重要的作用。然而，量子比特會(huì)不可避免地與環(huán)境發(fā)生相互作用，這極大地降低了邏輯門(mén)的保真度，對(duì)于固態(tài)量子系統(tǒng)更是如此。然而，可實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算要求門(mén)保真度至少達(dá)到99.9%，此前僅離子阱體系實(shí)現(xiàn)了保真度約為99.9%的兩比特門(mén)。固態(tài)體系由于受到更為嘈雜的固態(tài)環(huán)境的干擾，實(shí)現(xiàn)超過(guò)99.9%保真度的兩比特門(mén)是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

理論上，通過(guò)量子糾錯(cuò)過(guò)程，只要在物理比特上實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤低于容錯(cuò)閾值的量子門(mén)，就可以在邏輯比特上獲得錯(cuò)誤更小的量子門(mén)。類似地，通過(guò)動(dòng)力學(xué)糾錯(cuò)，如果環(huán)境噪聲的非馬爾科夫性能被充分利用，物理比特上的門(mén)錯(cuò)誤可以在多個(gè)操控脈沖之間相互抵消。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)噪聲的細(xì)致測(cè)量，建立了一個(gè)準(zhǔn)確且完整的噪聲模型，其中包括靜態(tài)噪聲、含時(shí)噪聲以及量子噪聲。基于動(dòng)力學(xué)糾錯(cuò)的思想，研究人員對(duì)形狀脈沖進(jìn)行了精巧的設(shè)計(jì)，使其能抵抗噪聲模型中的各種磁噪聲，最終將磁噪聲對(duì)CNOT門(mén)的影響降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，降至10的負(fù)4次方以下。實(shí)驗(yàn)上，研究人員測(cè)得形狀脈沖實(shí)現(xiàn)的CNOT門(mén)保真度為99.920(7)%，并分析得知，剩余錯(cuò)誤主要來(lái)自于形狀脈沖的失真以及電子自旋的縱向弛豫。這二者皆可在技術(shù)上被進(jìn)一步消除，因此未來(lái)有望將CNOT門(mén)保真度進(jìn)一步提高到99.99%以上。

該研究給出的方法是通用的，可進(jìn)一步推廣至其它固態(tài)體系，如硅量子點(diǎn)、金剛石和碳化硅中的其它缺陷、稀土摻雜系統(tǒng)等。

關(guān)鍵詞： 研究人員 信息處理 物理評(píng)論快報(bào) 量子噪聲