中国科大在超导量子计算非绝热几何量子计算领域取得重要进展

中国科大郭光灿团队在非绝热几何量子计算领域取得重要进展。该团队郭国平教授研究组与本源量子计算公司合作，在本源“夸父”6比特超导量子芯片上实现了演化路径缩短近两倍的非绝热几何量子计算，并展示了单比特几何相位门对拉比频率误差的绝对优势。该成果以研究长文的形式发表在4月25日出版的国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

超导量子比特是公认的最有希望实现量子计算的几个物理系统之一，目前正处于含噪声中等尺度量子计算阶段，超过50个比特的样品和基础的纠错算法已经被展示。但是控制和环境噪声限制了超导量子计算的进一步发展，如何实现对操控噪声不敏感的高保真度量子逻辑操控是实现大规模量子计算的关键。几何量子计算是利用几何相位来实现量子逻辑门操作的量子计算策略，其特点是利用几何位相的整体几何性质来避免某些局域无规噪声的影响，从而实现高保真度的量子逻辑门。因此，基于阿贝尔和非阿贝尔几何相位的几何与和乐量子操控是量子物理和量子信息领域中非常重要的研究课题。

图1 (a)“夸父”6比特超导量子芯片电镜图，前两个相邻的比特被用于展示本文的实验。(b)传统动力学门方案(Dyn)、过去的非绝热几何相位门方案(NGQC)和本文实现的短路径非绝热几何相位门方案(SP-NGQC)的演化路径在参数空间的直观对比。

近年来，国际上其他课题组已经在超导，离子阱等平台上演示了几何相位，并且实现了几何相位门操作。但是之前的门操作要么是基于绝热的演化路径，要求量子比特非常慢的演化到目标态上，大大延长了门操作时间，要么利用了更多的能级，增加了量子比特状态泄露出计算空间的风险。如何在保证鲁棒性的前提下利用最简单的能级结构，提升门的操作速度是几何量子计算领域研究的重中之重。

图2 单比特短路径非绝热几何相位门的插入式随机基准测试结果。

图3 固定的拉比频率误差下，单比特短路径非绝热几何相位门的操作保真度与传统动力学门的操作保真度在全参数空间比较，单比特短路径非绝热几何相位门均优于传统动力学门。

基于这些出发点，我实验室郭国平教授研究组与本源量子计算公司合作，在“夸父”超导量子处理器上实现了一种“半橘瓣”的短路径非绝热几何门集合，演化时间比之前的方法缩短了最高两倍。研究人员使用态层析和插入式随机基准测试方法对其进行了表征，实现了单比特门平均保真度为99.86%和两比特CZ门保真度为97.9 %。此外，研究人员还展示了单比特门相对于拉比频率误差，比传统的动力学门具有更好的鲁棒性。该方案不仅适用于超导量子计算，也同时使用于其他量子计算物理实现方案，如半导体量子点，离子阱等。