清華新聞網(wǎng)5月15日電 清華大學(xué)交叉信息研究院孫麓巖研究組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒長鈴研究組合作，在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中基于微波光子二項式量子糾錯碼首次實現(xiàn)了錯誤透明的相位門操作，可以容忍邏輯門操作中發(fā)生的錯誤。該成果論文“由量子糾錯保護(hù)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(fā)表于《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(jīng)典計算有指數(shù)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(tǒng)中，與環(huán)境耦合而產(chǎn)生的噪聲與退相干使得量子門的保真度遠(yuǎn)未達(dá)到可以處理實際問題的程度。為了克服這個困難，可容錯量子計算不僅要求對存儲量子信息的邏輯比特進(jìn)行量子糾錯保護(hù)，而且還需要對邏輯比特操控的動力學(xué)過程進(jìn)行保護(hù)，從而得到可靠的量子邏輯門。近些年來，量子糾錯已經(jīng)在實驗上得到了演示，然而在受量子糾錯保護(hù)的邏輯比特上進(jìn)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(shù)態(tài)蒸餾組成，它的實現(xiàn)需要大量資源，非常具有挑戰(zhàn)性。另一種實現(xiàn)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(xiàn)方式需要多比特的同時耦合，因此實驗上也非常難以實現(xiàn)。2019年，孫麓巖研究組首先在實驗中采用玻色量子編碼，實現(xiàn)了基于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，并首次實現(xiàn)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(xiàn)在，他們進(jìn)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，演示了基于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(dǎo)量子比特、一個快速讀取腔和一個高壽命存儲腔構(gòu)成，而邏輯比特是對存儲腔中的光子態(tài)進(jìn)行二項式編碼構(gòu)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(fā)展了一種新的量子比特驅(qū)動技術(shù)，稱之為“PASS”（Photon-number-resolved AC-Stark Shift）。由于超導(dǎo)量子比特與存儲腔有著極強的色散耦合，超導(dǎo)比特的本征頻率會隨著存儲腔內(nèi)的光子數(shù)的變化而變化。因此，在接近超導(dǎo)比特本征頻率的頻域范圍內(nèi)施加非共振驅(qū)動，就能誘導(dǎo)出存儲腔內(nèi)各個光子數(shù)態(tài)可控的頻率偏移。通過設(shè)計這種頻率偏移，邏輯比特在編碼空間和錯誤空間可以進(jìn)行完全相同的相位門演化，從而可以實現(xiàn)錯誤透明的相位門。實驗顯示，在發(fā)生錯誤的情況下，錯誤透明的相位門的表現(xiàn)確實比普通的相位門有顯著的提升；而且在連續(xù)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(yōu)異的相干壽命，展示了該相位門的容錯性。
錯誤透明的相位門操作過程中隨機發(fā)生的錯誤可以在其完成之后通過量子糾錯來糾正,其相干性能的表現(xiàn)比普通相位門有明顯的提升，展示了很好的容錯性。
該實驗實現(xiàn)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(jìn)展。其實現(xiàn)錯誤透明相位門的技術(shù)可以很容易擴展到Hadamard門以及兩邏輯比特門，從而能實現(xiàn)錯誤透明的通用量子門，為將來基于玻色子編碼的容錯量子計算提供了一種新思路。
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(xué)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(yè)）、王韋婷（交叉信息院2014級直博生，已畢業(yè)）、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）、宋祎璞（交叉信息院研究員）等。此項目得到國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、國家自然科學(xué)基金等支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-020-0893-x
供稿：交叉信息研究院
編輯：李華山
審核：程曦
