科学家发现多能级量子比特操控新方案

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中国科学技术大学郭光灿院士团队的教授郭国平、李海欧和龚明等人与纽约州立大学布法罗分校教授胡学东以及本源量子计算有限公司合作，在量子点系统中常见的多能级系统的量子调控上实现新进展，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。该研究成果日前发表在《应用物理评论》期刊上。

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利用等效模型描述含时驱动多能级系统演化示意图 中国科大供图

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。如果量子系统有效能级越简单，则操控越容易，精度越高。相反，当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。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。

在此次工作中，研究人员将一个穿梭态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。

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，研究人员在理论上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。这种新方案为多能级系统中的量子门操作提供了新的实验思路。

研究人员介绍，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。

研究人员认为，这个理论方案可能有重要用途。这是因为论文中讨论的多能级系统，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，论文中提出的新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。