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　　科學(xué)家在固態(tài)體系首次實現(xiàn)高保真度量子受控非門

　　為可實用大規(guī)模量子計算提供可能

　　光明日報合肥2月5日電（記者丁一鳴 通訊員王敏）日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點(diǎn)實驗室杜江峰院士、石發(fā)展教授等在量子操控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，基于金剛石氮-空位（NV）色心量子比特實現(xiàn)了保真度99.92%的量子CNOT門（量子受控非門）。相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評論快報》。

　　高保真兩比特量子門在量子信息處理，特別是容錯量子計算中起著至關(guān)重要的作用。然而，量子比特會不可避免地與環(huán)境發(fā)生相互作用，這極大地降低了邏輯門的保真度，對于固態(tài)量子系統(tǒng)更是如此。經(jīng)過幾十年的努力，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)實現(xiàn)了保真度超過容錯閾值（約99%）的兩比特門。然而，可實用的大規(guī)模量子計算要求門保真度至少達(dá)到99.9%，此前僅離子阱體系實現(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，實現(xiàn)超過99.9%保真度的兩比特門是一項艱巨的挑戰(zhàn)。

　　理論上，通過量子糾錯過程，只要在物理比特上實現(xiàn)錯誤低于容錯閾值的量子門，就可以在邏輯比特上獲得錯誤更小的量子門。類似的，通過動力學(xué)糾錯，如果環(huán)境噪聲的非馬爾科夫性能被充分利用，物理比特上的門錯誤可以在多個操控脈沖之間相互抵消。因此，通過結(jié)合上述兩個層次的糾錯，對初始的門保真度要求可以大大降低，這為基于現(xiàn)實中不完美的設(shè)備實現(xiàn)通用量子計算提供了一條可行的路徑。然而，由于量子糾錯過程本身會產(chǎn)生額外的復(fù)雜度，往往很難在實驗上獲得更高保真度的量子門。當(dāng)動力學(xué)糾錯的方法應(yīng)用于兩比特量子門時，也會遇到類似的問題，往往會沒有精確地掌握噪聲特性，使用更復(fù)雜的脈沖和更長的操控時間反而會造成更大的錯誤。

　　此次工作中，研究團(tuán)隊通過對噪聲的細(xì)致測量，建立了一個準(zhǔn)確且完整的噪聲模型，其中包括靜態(tài)噪聲、含時噪聲以及量子噪聲。基于動力學(xué)糾錯的思想，研究人員對形狀脈沖進(jìn)行了精巧的設(shè)計，使其能抵抗噪聲模型中的各種磁噪聲，最終將磁噪聲對CNOT門的影響降低了兩個數(shù)量級，降至10的負(fù)4次方以下。經(jīng)過實驗，研究人員測得形狀脈沖實現(xiàn)的CNOT門保真度為99.920（7）%，并分析得知，剩余錯誤主要來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，因此未來有望將CNOT門保真度進(jìn)一步提高到99.99%以上。

　　研究人員認(rèn)為，該工作的方法是通用的，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。