在固態(tài)體系首次實(shí)現(xiàn)高保真度量子受控非門

  ICC訊 記者30日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展等人，基于金剛石氮—空位（NV）色心量子比特實(shí)現(xiàn)了保真度99.92%的量子CNOT門（量子受控非門）。該項(xiàng)研究成果日前發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

  可實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算要求門保真度至少達(dá)到99.9%，此前僅離子阱體系實(shí)現(xiàn)了保真度約為99.9%的兩比特門。固態(tài)體系由于受到更為嘈雜的固態(tài)環(huán)境的干擾，實(shí)現(xiàn)超過99.9%保真度的兩比特門是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

  理論上，通過量子糾錯(cuò)過程，只要在物理比特上實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤低于容錯(cuò)閾值的量子門，就可以在邏輯比特上獲得錯(cuò)誤更小的量子門。類似地，通過動(dòng)力學(xué)糾錯(cuò)，如果環(huán)境噪聲的非馬爾科夫性能被充分利用，物理比特上的門錯(cuò)誤可以在多個(gè)操控脈沖之間相互抵消。

  研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)噪聲的細(xì)致測(cè)量，建立了一個(gè)準(zhǔn)確且完整的噪聲模型，其中包括靜態(tài)噪聲、含時(shí)噪聲以及量子噪聲。基于動(dòng)力學(xué)糾錯(cuò)的思想，研究人員對(duì)形狀脈沖進(jìn)行了精巧的設(shè)計(jì)，使其能抵抗噪聲模型中的各種磁噪聲，最終將磁噪聲對(duì)CNOT門的影響降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，降至10的負(fù)4次方以下。實(shí)驗(yàn)中，研究人員測(cè)得形狀脈沖實(shí)現(xiàn)的CNOT門保真度為99.920（7）%，并分析得知，剩余錯(cuò)誤主要來自形狀脈沖的失真以及電子自旋的縱向弛豫。這二者皆可在技術(shù)上被進(jìn)一步消除，因此未來有望將CNOT門保真度進(jìn)一步提高到99.99%以上。

  該研究給出的方法是通用的，可進(jìn)一步推廣至其他固態(tài)體系，如硅量子點(diǎn)、金剛石和碳化硅中的其他缺陷、稀土摻雜系統(tǒng)等。