中國(guó)科大首次在固態(tài)體系實(shí)現(xiàn)保真度99.92%的量子CNOT門(mén)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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)展等人在量子操控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，基于金剛石氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心量子比特實(shí)現(xiàn)了保真度99.92%的量子CNOT門(mén)（量子受控非門(mén)）。該項(xiàng)研究成果以"99.92%-Fidelity CNOT Gates in Solids by Noise Filtering"為題發(fā)表在《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett.130, 030601（2023）]上。

圖：金剛石石氮-空位色心及其周?chē)暮俗孕疽鈭D，形狀脈沖用來(lái)抵抗核自旋產(chǎn)生的噪聲。

高保真兩比特量子門(mén)在量子信息處理，特別是容錯(cuò)量子計(jì)算中起著至關(guān)重要的作用。然而，量子比特會(huì)不可避免地與環(huán)境發(fā)生相互作用，這極大地降低了邏輯門(mén)的保真度，對(duì)于固態(tài)量子系統(tǒng)更是如此。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，超導(dǎo)、離子阱、固態(tài)缺陷和量子點(diǎn)等量子系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了保真度超過(guò)容錯(cuò)閾值（約99%）的兩比特門(mén)。然而，可實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算要求門(mén)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(mén)。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(guò)99.9%保真度的兩比特門(mén)是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

理論上，通過(guò)量子糾錯(cuò)（QEC）過(guò)程，我們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(mén)，就可以在邏輯比特上獲得錯(cuò)誤更小的量子門(mén)。類(lèi)似地，通過(guò)動(dòng)力學(xué)糾錯(cuò)（DEC），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(mén)錯(cuò)誤可以在多個(gè)操控脈沖之間相互抵消。因此，通過(guò)結(jié)合上述兩個(gè)層次的糾錯(cuò)，對(duì)初始的門(mén)保真度要求可以大大降低，這為基于現(xiàn)實(shí)中不完美的設(shè)備實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算提供了一條可行的路徑。然而，由于量子糾錯(cuò)過(guò)程本身會(huì)產(chǎn)生額外的復(fù)雜度，往往很難在實(shí)驗(yàn)上獲得更高保真度的量子門(mén)。當(dāng)動(dòng)力學(xué)糾錯(cuò)的方法應(yīng)用于兩比特量子門(mén)時(shí)，也會(huì)遇到類(lèi)似的問(wèn)題，往往會(huì)因?yàn)闆](méi)有精確地掌握噪聲特性，使用更復(fù)雜的脈沖和更長(zhǎng)的操控時(shí)間反而會(huì)造成更大的錯(cuò)誤。

本文研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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?；趧?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(mén)的影響降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，降至10-4以下。實(shí)驗(yàn)上，研究人員用RandomizedBenchmarking方法測(cè)得形狀脈沖實(shí)現(xiàn)的CNOT門(mén)保真度為99.920(7)%，并分析得知，剩余錯(cuò)誤主要來(lái)自于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(lái)有望將CNOT門(mén)保真度進(jìn)一步提高到99.99%以上。該工作的方法是通用的，可進(jìn)一步推廣至其它固態(tài)體系，如硅量子點(diǎn)、金剛石和碳化硅中的其它缺陷、稀土摻雜系統(tǒng)等。

圖：（a）不同脈沖實(shí)現(xiàn)的CNOT門(mén)對(duì)噪聲的抵抗效果；（b）CNOT門(mén)保真度的測(cè)量結(jié)果。

中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后謝天宇和博士生趙致遠(yuǎn)為該文并列第一作者，杜江峰院士和石發(fā)展教授為論文的共同通訊作者。此項(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。