中国科大在多能级量子比特操控方案中取得重要进展

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我校郭光灿院士团队在量子比特操控方案研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧教授和龚明教授等人与纽约州立大学布法罗分校胡学东教授以及本源量子计算有限公司合作，对量子点系统中常见的多能级系统的量子调控展开研究，发现一种新的、实用的多能级调控方案。在该方案中，通过调控微波驱动频率、幅值等参数，可以实现任意能级结构，进而实现高速、抗噪声的量子比特操控。这种操控方案为实现高保真度量子比特操作提供了一种新途径。该研究成果发表在4月19日出版的国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

量子态的操控和演化在量子计算领域具有重要应用。所有的量子门操作，本质上都是这种操控的结果。这一原理被用广泛用于原子、超导比特、半导体量子点电荷和自旋比特等系统中，并在这些系统中实现了多种高保真度量子比特门。如果有效能级越简单，则操控越容易，精度越高。相反，当量子系统能级结构较为复杂时，对它们的调控就会非常复杂，而且可能出现各种串扰等。以半导体自旋量子比特系统为例，一个两比特系统的理论模型为五能级结构。使用微波驱动这样的五能级系统时，系统中不同的相干过程相互影响，使得整个演化过程难以分析和控制。目前，相关方面的研究大多局限在各种近似条件下，这些限制不利于进一步开发与利用微波驱动进行比特操控。

为了研究驱动场对多能级系统的影响，以往的工作往往采用数值模拟或将多能级系统约化为二能级系统等。然而，这些方法无法全面清晰地描述实验中表现出的复杂现象。所以，在理论上寻找合适的参考系（或者基矢），可能使问题得到极大的简化。这种方法曾被运用在超导比特中，并在量子模拟方面发挥了重要作用。在量子点比特中，它的调控更加复杂，目前还没有相关的工作报道。

在这个工作中，研究人员通过将一个穿梭态（Shuttle state）和所有其它能级耦合，并通过控制它的振动幅度和频率，可以选择实现任意两个能级之间的等效耦合。这是因为它们的Floquet动力学的有效模型可以通过这些参数实现任意需要的等效模型，从而实现它们的量子门操控。结果证明，在实验参数范围内，这个方案可以在很大范围内实现需要的耦合，并保持很高的操控速度。利用这个方法，研究人员理论证明了任意单比特门和两比特门操控，保真度超过99%。这个模型甚至还可以解释以前在实验上不能解释的一些新奇的奇偶效应。这种新的方案为对多能级系统中的量子门操作提供了新的实验思路。

在该方案中，穿梭态发挥了关键作用。它不仅可以实现任意两个能级之间的有效耦合，还可以作为探测的手段。通过对穿梭态的测量，可以实现对量子态的非破坏性测量。这个理论方案可能有重要用途，这是因为本文讨论的多能级系统，不仅出现在半导体量子点中，也出现在几乎所有其它的物理体系中，包括原子、离子、超导比特等。结构越复杂，集成度越高，能级就可能越复杂。所以通过将这些方案做合适改进，同时选择合适的参数，可以在其它模型中实现类似的任意门操控——如果可以实现这一点，本文提出来的新的方案可能对量子门操控产生重要的价值，并可能促进多比特量子门操控的实现。