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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒長(zhǎng)鈴研究組合作,，在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中基于微波光子二項(xiàng)式量子糾錯(cuò)碼首次實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤透明的相位門(mén)操作,，可以容忍邏輯門(mén)操作中發(fā)生的錯(cuò)誤,。該成果論文“由量子糾錯(cuò)保護(hù)的單邏輯比特上錯(cuò)誤透明的操作”(Error-transparent operations on a logical qubit protected by quantum error correction）近日在線(xiàn)發(fā)表于《自然?物理》（Nature Physics）期刊上,。
眾所周知，量子計(jì)算在某些問(wèn)題的處理能力上比經(jīng)典計(jì)算有指數(shù)級(jí)別的提升,，在近二十年來(lái)成為一個(gè)熱門(mén)的研究方向,。然而，在實(shí)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(mén)的保真度遠(yuǎn)未達(dá)到可以處理實(shí)際問(wèn)題的程度,。為了克服這個(gè)困難，可容錯(cuò)量子計(jì)算不僅要求對(duì)存儲(chǔ)量子信息的邏輯比特進(jìn)行量子糾錯(cuò)保護(hù),，而且還需要對(duì)邏輯比特操控的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行保護(hù),，從而得到可靠的量子邏輯門(mén)。近些年來(lái),，量子糾錯(cuò)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上得到了演示,，然而在受量子糾錯(cuò)保護(hù)的邏輯比特上進(jìn)行可容錯(cuò)的量子門(mén)操作依然是個(gè)難題。
在通常由多個(gè)物理比特編碼一個(gè)邏輯比特的框架下,，容錯(cuò)的邏輯門(mén)操作主要由橫向門(mén)與魔術(shù)態(tài)蒸餾組成,，它的實(shí)現(xiàn)需要大量資源，非常具有挑戰(zhàn)性,。另一種實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子門(mén)的方法被稱(chēng)作錯(cuò)誤透明的量子門(mén),。該理論也首先在多物理比特編碼的框架下被提出，其實(shí)現(xiàn)方式需要多比特的同時(shí)耦合,，因此實(shí)驗(yàn)上也非常難以實(shí)現(xiàn),。2019年，孫麓巖研究組首先在實(shí)驗(yàn)中采用玻色量子編碼，實(shí)現(xiàn)了基于微波光子的二項(xiàng)式量子糾錯(cuò)碼,，從而可以緩解光子損耗對(duì)光子攜帶的量子信息的影響,，并首次實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特的量子糾錯(cuò)和通用量子門(mén)操控（Nature Physics 15, 503–508 (2019)）。現(xiàn)在,，他們進(jìn)一步考慮對(duì)糾錯(cuò)碼的量子門(mén)操作中的錯(cuò)誤,，將錯(cuò)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(cuò)誤透明相位門(mén)操作,。
錯(cuò)誤透明的量子操作的示意圖
實(shí)驗(yàn)樣品由一個(gè)超導(dǎo)量子比特,、一個(gè)快速讀取腔和一個(gè)高壽命存儲(chǔ)腔構(gòu)成，而邏輯比特是對(duì)存儲(chǔ)腔中的光子態(tài)進(jìn)行二項(xiàng)式編碼構(gòu)成,。錯(cuò)誤透明的門(mén)操作要求邏輯比特在編碼空間和錯(cuò)誤空間的演化完全一致,。為此，研究組在實(shí)驗(yàn)中發(fā)展了一種新的量子比特驅(qū)動(dòng)技術(shù),，稱(chēng)之為“PASS”（Photon-number-resolved AC-Stark Shift）,。由于超導(dǎo)量子比特與存儲(chǔ)腔有著極強(qiáng)的色散耦合，超導(dǎo)比特的本征頻率會(huì)隨著存儲(chǔ)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(dòng),，就能誘導(dǎo)出存儲(chǔ)腔內(nèi)各個(gè)光子數(shù)態(tài)可控的頻率偏移,。通過(guò)設(shè)計(jì)這種頻率偏移，邏輯比特在編碼空間和錯(cuò)誤空間可以進(jìn)行完全相同的相位門(mén)演化,，從而可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤透明的相位門(mén),。實(shí)驗(yàn)顯示，在發(fā)生錯(cuò)誤的情況下,，錯(cuò)誤透明的相位門(mén)的表現(xiàn)確實(shí)比普通的相位門(mén)有顯著的提升,；而且在連續(xù)糾錯(cuò)的情況下，邏輯比特在錯(cuò)誤透明的相位門(mén)操作下比普通相位門(mén)有更加優(yōu)異的相干壽命,，展示了該相位門(mén)的容錯(cuò)性,。
錯(cuò)誤透明的相位門(mén)操作過(guò)程中隨機(jī)發(fā)生的錯(cuò)誤可以在其完成之后通過(guò)量子糾錯(cuò)來(lái)糾正,其相干性能的表現(xiàn)比普通相位門(mén)有明顯的提升，展示了很好的容錯(cuò)性,。
該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的錯(cuò)誤透明的相位門(mén)是近幾年來(lái)在量子糾錯(cuò)方面的一個(gè)重要進(jìn)展,。其實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤透明相位門(mén)的技術(shù)可以很容易擴(kuò)展到Hadamard門(mén)以及兩邏輯比特門(mén)，從而能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤透明的通用量子門(mén),，為將來(lái)基于玻色子編碼的容錯(cuò)量子計(jì)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(zhǎng)鈴副研究員。清華大學(xué)交叉信息研究院2016級(jí)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(jí)直博生）,、穆相豪（交叉信息院2015級(jí)直博生）、蔡偉州（交叉信息院2015級(jí)直博生）、胡玲（交叉信息院2013級(jí)直博生,，已畢業(yè)）,、王韋婷（交叉信息院2014級(jí)直博生，已畢業(yè)）,、潘嘯軒（交叉信息院2017級(jí)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(xiàng)目得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃,、國(guó)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
