精密测量院首次演示非循环非绝热的几何量子逻辑门

　　近日，精密测量院研究员冯芒课题组与郑州大学、广州中国科学院工业技术研究院合作，利用超冷离子实验平台，设计和完成了基于非循环非绝热的几何量子逻辑门实验，在单个⁴⁰Ca⁺离子层面上首次高精度地演示了这种普适的量子逻辑门同时具备的容错和快捷的优良特性，研究成果发表在《物理评论快报》上。

　　量子计算机是利用量子态的受控演化实现逻辑运算以及信息处理和存储的一种全新概念的物理装置，是一项颠覆性的未来技术。建造量子计算机的技术要求极富挑战性，需要精准操控成百上千个量子比特，需要较长时间地保持系统的量子特性，也需要量子体系与经典体系的完美协作。迄今为止，世界上还没有研制出通用型的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正投入巨大的热情追寻着这个梦想。提高量子逻辑门操作的精度和速度一直是研制量子计算机的主攻方向之一，而这两者却往往是相互牵制，速度提高了就会导致精度下降，反之亦然。

　　利用几何相位完成的量子操作具有抵御局域噪声的容错功能，因此多年来备受量子计算机研制者的关注。但这种几何量子操作往往需要绝热地（即缓慢地）完成，而且门操作时间固定，不会因为相位的不同而缩短，因此在实际运用中会受到耗散效应的较大影响。不过，近年的研究进展已经逐步突破了绝热条件，使得几何量子计算能以非绝热的方式完成。2020年的最新理论研究成果进一步表明，如果能够精确控制量子参数沿着布洛赫球面的测地线演化，基于非循环几何相位的原则，在不需要完成一个完整循环的条件下便能以非绝热的方式实现容错的量子逻辑门，由此进一步提升操作速度，并能抑制退相干效应的不良影响。由于这种情况下的几何量子逻辑操作以一种非循环的方式完成，因此针对某个具体的逻辑门，其所需时间不是固定的，而是与具体的逻辑门有关， 因此有可能通过精巧的方案设计，实现容错性强且普适的快速量子逻辑门。

　　离子阱系统是目前最有希望建造量子计算机的候选者之一。冯芒科研团队一直在发展基于⁴⁰Ca⁺离子的边带冷却、精确操控和精密测量等关键技术。在前期工作的基础上，该团队精心设计了两个常用的单比特逻辑门的普适型量子操作，针对离子阱体系中三种主要的实验误差，实验比较了非循环非绝热几何量子操作（NNGQC）、常规的非绝热几何量子操作（NGQC）和常规动力学量子操作（DQC）的执行效果。实验结果清晰地显示，在三种主要误差存在的情况下，NNGQC不仅可以节约操作时间，而且保真度明显高于其它两种门操作，这种快捷且容错的特点在连续多次的操作中能展现出更为显著的效果。尤为重要的是，这种NNGQC操作能够直接推广到两个量子比特的逻辑门操作中。这意味着NNGQC将来有可能真正运用于普适的量子计算操作。

　　该项工作有助于加深对几何位相和几何量子操控的理解，也将进一步推动量子信息科学的发展。该项工作中所展示的同时提升量子逻辑操作的速度和精度的方案，可为量子计算机的研制提供新的思路。精密测量院博士章嘉伟、郑州大学副教授闫磊磊和精密测量院博士李加冲为文章的共同第一作者。郑州大学副教授苏石磊、精密测量院副研究员周飞和研究员冯芒为通讯作者。

　　该研究得到科技部国家重点研发计划项目“基于原子、离子与光子的少体关联精密测量”、广东省重点领域研发计划重大专项项目和国家自然科学基金项目的资助。

　　论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.030502。

基于⁴⁰Ca⁺离子的NNGQC实验原理图。左图为量子比特的逻辑操控示意图；右图是U1逻辑门和 Hadamard逻辑门的几何逻辑操作所对应的量子参数态演化示意图

NNGQC、NGQC和DQC分别执行U1逻辑门的实验结果比较。上图列出了三个门操作的时间对比为1: 2: 2.5; 下图比较了三个门操作下的量子态演化和误差情况，其中IQC为当作参考的理想门操作