清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

  ICC訊   據(jù)了解，近年來(lái)，CR邏輯門成為超導(dǎo)量子計(jì)算中一種非常重要的雙比特門操作，這種門操作無(wú)需調(diào)節(jié)量子比特頻率，同時(shí)又可通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)功率方便地調(diào)節(jié)門操作的速度，因而被廣泛運(yùn)用于大規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算中。

  然而，在大規(guī)模超導(dǎo)量子體系中，雙量子比特門操作不可避免地受到環(huán)境量子比特的嚴(yán)重影響，因此找到減小或消除環(huán)境比特影響的有效方法成為大規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算中提高邏輯門操作保真度亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

  近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該小組利用可調(diào)耦合的多量子比特系統(tǒng)首次實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)境比特對(duì)于交叉共振邏輯門（Cross-resonance（CR））的影響并提出了實(shí)驗(yàn)解決方案。

  圖1：(a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖（4個(gè)計(jì)算量子比特（Q1-Q4）與3個(gè)可調(diào)耦合器比特（C1-C3）），其中門比特Q2和Q3用來(lái)實(shí)現(xiàn)CR門，Q1和Q4為環(huán)境量子比特。(b) 環(huán)境比特對(duì)CR門操作影響示意圖。

  研究過(guò)程中，研究人員利用四個(gè)計(jì)算量子比特（Q1-Q4）和三個(gè)可調(diào)耦合器量子比特（C1-C3），通過(guò)耦合器比特調(diào)節(jié)計(jì)算量子比特間的耦合強(qiáng)度，并發(fā)展三比特哈密頓層析技術(shù)，研究環(huán)境比特（Q1和Q4）對(duì)于門比特間（Q2和Q3）CR門的影響。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境比特對(duì)雙量子比特門操作的影響主要來(lái)源于環(huán)境比特處于特定頻率時(shí)的系統(tǒng)共振激發(fā)以及門操作過(guò)程中環(huán)境比特與門比特之間的ZZ相互作用，這些因素影響了門比特的頻率，進(jìn)而扭曲CR門的演化，最終降低了雙比特門操作的保真度，甚至?xí)?dǎo)致CR門操作失效。

  圖2：孤立體系的CR門（左）和受到環(huán)境比特影響的CR門（右）

  這項(xiàng)工作提出了在大規(guī)模超導(dǎo)量子體系中，環(huán)境比特存在和不存在兩種情況下有效提高雙量子比特門操作保真度的解決方案，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)未來(lái)大規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算和模擬中比特頻率和耦合強(qiáng)度等參數(shù)的設(shè)計(jì)與控制提供實(shí)驗(yàn)參考和解決方案。

  該成果的研究論文《可調(diào)耦合超導(dǎo)電路中環(huán)境比特對(duì)雙量子比特門操作的影響》（Impact of Spectators on a Two-Qubit Gate in a Tunable Coupling Superconducting Circuit）于近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上刊發(fā)。

  該論文共同第一作者為交叉信息研究院博士生蔡天奇和韓璽月，通訊作者為段路明教授和宋祎璞研究員。其他作者包括交叉信息研究院博士后吳宇愷，博士研究生馬玉林、王家輝、王志凌以及助理研究員張宏毅和王海艷。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)11874235）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)2016YFA0301902）和清華大學(xué)自主研發(fā)項(xiàng)目的資助與支持。

  論文鏈接：  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.060505