清華量子信息中心孫麓巖研究組合作在超導量子系統(tǒng)中實現(xiàn)了量子糾錯

清華新聞網2月16日電 清華大學交叉信息研究院孫麓巖研究組和段路明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(tǒng)中實現(xiàn)了微波光子二項式量子糾錯碼，首次同時實現(xiàn)邏輯量子比特的量子糾錯和通用量子門操控。該成果論文《基于二項式波色碼的量子糾錯和通用量子門操作》（Quantum error correction and universal gate set operation on a binomial bosonic logical qubit）近日在線發(fā)表于《自然·物理》（Nature Physics）雜志上。

眾所周知，量子計算機具有在某些問題上（比如大數因子分解和無序數據庫搜索）遠超經典計算機的運算能力。然而，存儲量子信息的物理系統(tǒng)不可避免會與環(huán)境相互作用，受到噪聲的影響而失去量子特性。因此，一個實用的可容錯量子計算機最終要求對量子糾錯碼（即邏輯量子比特）實現(xiàn)編解碼和糾錯，并在糾錯保護下進行量子邏輯門操控，從而防止不必要的或不受控制的錯誤干擾，實現(xiàn)對量子信息的保護。量子糾錯被公認為是實現(xiàn)可容錯通用量子計算的核心問題，但是這方面的實驗進展緩慢，因為其所需的量子實驗技術具有非常大的挑戰(zhàn)性。當前量子信息處理的一個迫切目標便是實現(xiàn)由量子糾錯保護的邏輯量子比特，進而實現(xiàn)對單個邏輯量子比特的操作，并擴展到在多個邏輯量子比特上執(zhí)行量子算法。

圖1： 二項式量子糾錯碼示意圖。

在一般的量子糾錯方案中，每個邏輯量子比特由很多個物理比特組成，通過冗余的自由度實現(xiàn)糾錯。然而，隨著物理比特數目的增加而系統(tǒng)可能發(fā)生的錯誤通道也會增多，同時多物理比特編碼的操作需要物理比特之間非局域的相互作用，因此實驗上量子糾錯和邏輯比特的量子門都很難實現(xiàn)。為了克服這些問題，孫麓巖研究組采用了一種基于單個微波諧振子的物理架構，首次在實驗上證明了二項式量子糾錯碼和在糾錯保護下的量子門操控。在該方案中，單個微波諧振子的無限大希爾伯特空間提供了有效的冗余自由度來實現(xiàn)量子信息編碼，而錯誤通道的數目保持不變（主要為微波光子的丟失），因此對硬件的要求大大簡化，具有非常強的可操作性。

孫麓巖研究組在實驗中利用一個輔助超導量子比特與微波光場耦合，實現(xiàn)了基于微波光子數按二項式系數疊加的量子態(tài)的編碼，通過量子反饋控制有效地對抗微波光子損耗。在實驗中，該研究組發(fā)展了基于可編程邏輯門陣列的快速、實時量子反饋技術，同時利用接近量子極限的微波放大器實現(xiàn)了量子比特快速、高保真度讀取。基于這兩項技術，他們實現(xiàn)了對邏輯量子比特的連續(xù)量子糾錯，將相干時間延長為沒有量子糾錯時的2.8倍；同時，實現(xiàn)了對單個邏輯比特高保真度通用量子門操作，平均門操作保真度為97.0%；此外，還首次實現(xiàn)了在量子糾錯保護下的邏輯比特上的量子操作，演示了Ramsey干涉實驗，將其相干時間提高了2倍。 

圖 2： 基于二項式編碼的邏輯量子比特的通用量子門操控和量子糾錯保護下Ramsey干涉

該實驗實現(xiàn)的二項式量子糾錯碼是近幾年來在量子糾錯方面的一個重要進展，是實現(xiàn)基于波色子編碼的可容錯量子計算非常重要的一步。該實驗結果也為將來利用量子糾錯在邏輯比特層面上進行量子精密測量等方面奠定了基礎。

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2013級直博生胡玲和2016級直博生馬雨瑋為文章共同第一作者。此項目得到了國家重點基礎研究發(fā)展計劃、國家自然科學基金等支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41567-018-0414-3

供稿：交叉信息研究院 編輯：李華山 審核：盧小兵