中国科大实现时间最优量子控制

　　近日，中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰领导的中科院微观磁共振重点实验室在量子控制研究领域取得新进展：该实验室的荣星和耿建培等在固态自旋体系中实现时间最优量子控制，研究成果发表在10月19日出版的《物理评论快报》上[Physical Review Letters 117, 170501 (2016)]。美国物理学会网站Physics Synopsis栏目将该成果作为亮点报道。

　　量子控制是现代量子科学的基础，在量子计算、量子精密测量等领域具有重要意义。中科院微观磁共振重点实验室一直致力于精确量子控制的实验研究，他们在2014年实现了精度高达0.996的单比特量子操作[Physical Review Letters 112,050503(2014)]；随后实现了达到容错量子计算要求的普适量子逻辑门，其中的单比特操作精度达到0.999952，两比特操作精度达到0.992 [Nature Communications 6,8748(2015)]。在此基础上，他们进一步考虑如何以最快的方式实现精确量子控制。

　　日常生活中，我们常关心如何最快地到达某个地方，这类以“最快”为目标的问题在科学研究中被称为“时间最优”问题。对时间最优问题的研究始于300多年前约翰·伯努利提出的最速降线问题。量子版本的时间最优问题则关心如何将量子系统在最短时间内驱动到目标状态，即实现时间最优的量子控制。随着量子信息科学等领域的发展，时间最优量子控制引起了广泛关注，并取得了一系列的理论研究成果。2007年，量子最速降线方程被提出，为一大类的时间最优量子控制问题提供了理论框架。2015年，美国MIT教授Seth Lloyd组针对多比特量子系统发展了有效求解量子最速降线方程的数值方法。然而，国际上时间最优量子控制的实验研究还只局限于单量子比特系统。

　　杜江峰团队与理论合作者王晓霆，将求解时间最优控制问题的理论方法与具体的量子物理体系相结合，发展了实现普适量子控制的时间最优控制方法，并在金刚石NV色心体系上实验实现。研究结果表明，无论是单比特还是两比特量子操作，不仅操作精度高达99%，而且操作时间比常规实现方法显著缩短。这项研究工作证实了以时间最优的方式实现精确量子控制的可行性，为多比特量子体系的时间最优控制奠定了基础。这意味着未来量子计算可以在单位时间内实现更多的高精度量子逻辑门，因而具有重要的应用前景。

　　 上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和教育部的支持。

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