量子信息中心孫麓巖研究組演示了制備任意光子數疊加態的新方法

2017年06月12日 瀏覽次數: 0

清華大學量子信息中心孫麓巖副教授超導量子計算研究組與福州大學鄭仕標教授合作，在超導電路中演示了制備任意光子數態（福克態）疊加態的新方法。該研究論文《在超導電路中準經典態到任意福克態疊加態的轉化》（Converting quasiclassical states into arbitrary Fock state superpositions in a superconducting circuit）近日發表在《物理評論快報》上（Phys.Rev.Lett.118, 223604, 2017）。

圖1：（a）實驗裝置圖。超導量子比特位于兩個超導鋁腔中間，圖中顯示了鋁腔的一半。（b）顯微鏡下的超導量子比特。（c）掃描電子顯微鏡下的約瑟夫森結。

福克態及其疊加態具有非常奇特的量子特性，是驗證量子理論的重要載體，同時其在量子精確測量、量子反饋操作、量子糾錯以及通用量子計算中都發揮重要作用。因此，這些量子態的制備和操控是量子物理和量子信息領域中非常重要的研究課題。孫麓巖研究組根據鄭仕標教授提出的理論方案，利用超導量子比特與微波光場之間的強色散相互作用對光場各個福克態成分的幾率幅進行操控，將其從一個經典相干態轉化成所期待的量子疊加態。

圖2： 截斷相位態（Truncated phase state）的制備。（a）左側是理想的Wigner函數，右側是實驗測量出的Wigner函數，其保真度達到97%。（b）根據所測Wigner函數重構出的密度矩陣。這種量子態在量子隨機行走方面有重要應用。

基于約瑟夫森結的超導量子比特，在可操控性和可擴展性等方面都具有很大的優勢，是目前國際上公認的最有希望實現量子計算的幾個物理系統之一。此前，美國加州大學圣塔芭芭拉分校的超導量子計算研究組通過對量子比特頻率的多次反復調節和一系列幺正演化步驟，演示了福克態疊加態的制備。清華大學量子信息中心所演示的實驗方案不需要調節量子比特的頻率，并且在幺正演化過程中只需要一個脈沖，因此該方法具有很強的抗噪能力，所制備態的保真度達到96%以上。該研究工作結果可望在量子精確測量、量子隨機行走和通用量子計算等量子信息領域發揮重要作用。

圖3：壓縮態的制備。所制備壓縮態的保真度為96%。壓縮態在高精度測量中有重要應用。

論文第一作者為量子信息中心的博士生王韋婷，共同通訊作者為福州大學的鄭仕標教授、清華大學量子信息中心的段路明教授和孫麓巖副教授。其他作者包括量子信息中心的博士研究生胡玲，徐源，劉可，馬雨瑋，副研究員宋祎璞。此項研究工作得到國家重點基礎研究發展計劃和國家自然科學基金支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.223604