孫麓巖研究組實現邏輯比特上錯誤透明的相位門操作

2020年05月14日 瀏覽次數: 0

        清華大學交叉信息研究院孫麓巖研究組與中國科學技術大學鄒長鈴研究組合作，在超導量子系統中基于微波光子二項式量子糾錯碼首次實現了錯誤透明的相位門操作，可以容忍邏輯門操作中發生的錯誤。該成果論文《Error-transparent operations on a logical qubit protected by quantum error correction》（《由量子糾錯保護的單邏輯比特上錯誤透明的操作》）近日在線發表于Nature Physics（《自然•物理》）雜志上。

        眾所周知，量子計算在某些問題的處理能力上比經典計算有指數級別的提升，在近二十年來成為一個熱門的研究方向。然而，在實際的量子系統中，與環境耦合而產生的噪聲與退相干使得量子門的保真度遠未達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行量子糾錯保護，而且還需要對邏輯比特操控的動力學過程進行保護，從而得到可靠的量子邏輯門。近些年來，量子糾錯已經在實驗上得到了演示，然而在受量子糾錯保護的邏輯比特上進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態蒸餾組成，它的實現需要大量資源，非常具有挑戰性。另一種實現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，其實現方式需要多比特的同時耦合，因此實驗上也非常難以實現。2019年，孫麓巖研究組首先在實驗中采用玻色量子編碼，實現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)）。現在，他們進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。

圖1： 錯誤透明的量子操作的示意圖。

        實驗樣品由一個超導量子比特，一個快速讀取腔和一個高壽命存儲腔構成，而邏輯比特是對存儲腔中的光子態進行二項式編碼構成。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，研究組在實驗中發展了一種新的量子比特驅動技術，稱之為“PASS”（Photon-number-resolved AC-Stark Shift）。由于超導量子比特與存儲腔有著極強的色散耦合，超導比特的本征頻率會隨著存儲腔內的光子數的變化而變化。因此，在接近超導比特本征頻率的頻域范圍內施加非共振驅動，就能誘導出存儲腔內各個光子數態可控的頻率偏移。通過設計這種頻率偏移，邏輯比特在編碼空間和錯誤空間可以進行完全相同的相位門演化，從而可以實現錯誤透明的相位門。實驗顯示，在發生錯誤的情況下，錯誤透明的相位門的表現確實比普通的相位門有顯著的提升；而且在連續糾錯的情況下，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異的相干壽命，展示了該相位門的容錯性。

圖2：錯誤透明的相位門操作過程中隨機發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展。其實現錯誤透明相位門的技術可以很容易擴展到Hadamard門以及兩邏輯比特門，從而能實現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。清華大學交叉信息研究院2016級直博生馬雨瑋為文章一作，其他作者還包括徐源、穆相豪、蔡偉州、胡玲、王韋婷、潘嘯軒、王海艷、宋祎璞等。此項目得到了國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金等支持。

論文鏈接：Nat. Phys. s41567-020-0893-x (2020)

https://www.nature.com/articles/s41567-020-0893-x