清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

  ICC訊   據(jù)了解，近年來(lái)，CR邏輯門(mén)成為超導(dǎo)量子計(jì)算中一種非常重要的雙比特門(mén)操作，這種門(mén)操作無(wú)需調(diào)節(jié)量子比特頻率，同時(shí)又可通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)功率方便地調(diào)節(jié)門(mén)操作的速度，因而被廣泛運(yùn)用于大規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算中。

  然而，在大規(guī)模超導(dǎo)量子體系中，雙量子比特門(mén)操作不可避免地受到環(huán)境量子比特的嚴(yán)重影響，因此找到減小或消除環(huán)境比特影響的有效方法成為大規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算中提高邏輯門(mén)操作保真度亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

  近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該小組利用可調(diào)耦合的多量子比特系統(tǒng)首次實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)境比特對(duì)于交叉共振邏輯門(mén)（Cross-resonance（CR））的影響并提出了實(shí)驗(yàn)解決方案。

  圖1：(a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖（4個(gè)計(jì)算量子比特（Q1-Q4）與3個(gè)可調(diào)耦合器比特（C1-C3）），其中門(mén)比特Q2和Q3用來(lái)實(shí)現(xiàn)CR門(mén)，Q1和Q4為環(huán)境量子比特。(b) 環(huán)境比特對(duì)CR門(mén)操作影響示意圖。

  研究過(guò)程中，研究人員利用四個(gè)計(jì)算量子比特（Q1-Q4）和三個(gè)可調(diào)耦合器量子比特（C1-C3），通過(guò)耦合器比特調(diào)節(jié)計(jì)算量子比特間的耦合強(qiáng)度，并發(fā)展三比特哈密頓層析技術(shù)，研究環(huán)境比特（Q1和Q4）對(duì)于門(mén)比特間（Q2和Q3）CR門(mén)的影響。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境比特對(duì)雙量子比特門(mén)操作的影響主要來(lái)源于環(huán)境比特處于特定頻率時(shí)的系統(tǒng)共振激發(fā)以及門(mén)操作過(guò)程中環(huán)境比特與門(mén)比特之間的ZZ相互作用，這些因素影響了門(mén)比特的頻率，進(jìn)而扭曲CR門(mén)的演化，最終降低了雙比特門(mén)操作的保真度，甚至?xí)?dǎo)致CR門(mén)操作失效。

  圖2：孤立體系的CR門(mén)（左）和受到環(huán)境比特影響的CR門(mén)（右）

  這項(xiàng)工作提出了在大規(guī)模超導(dǎo)量子體系中，環(huán)境比特存在和不存在兩種情況下有效提高雙量子比特門(mén)操作保真度的解決方案，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)未來(lái)大規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算和模擬中比特頻率和耦合強(qiáng)度等參數(shù)的設(shè)計(jì)與控制提供實(shí)驗(yàn)參考和解決方案。

  該成果的研究論文《可調(diào)耦合超導(dǎo)電路中環(huán)境比特對(duì)雙量子比特門(mén)操作的影響》（Impact of Spectators on a Two-Qubit Gate in a Tunable Coupling Superconducting Circuit）于近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上刊發(fā)。

  該論文共同第一作者為交叉信息研究院博士生蔡天奇和韓璽月，通訊作者為段路明教授和宋祎璞研究員。其他作者包括交叉信息研究院博士后吳宇?lèi)?，博士研究生馬玉林、王家輝、王志凌以及助理研究員張宏毅和王海艷。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)11874235）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)2016YFA0301902）和清華大學(xué)自主研發(fā)項(xiàng)目的資助與支持。

  論文鏈接：  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.060505