清華大學(xué)研究團隊在超導量子計算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

  ICC訊   據了解，近年來(lái)，CR邏輯門(mén)成為超導量子計算中一種非常重要的雙比特門(mén)操作，這種門(mén)操作無(wú)需調節量子比特頻率，同時(shí)又可通過(guò)改變驅動(dòng)功率方便地調節門(mén)操作的速度，因而被廣泛運用于大規模超導量子計算中。

  然而，在大規模超導量子體系中，雙量子比特門(mén)操作不可避免地受到環(huán)境量子比特的嚴重影響，因此找到減小或消除環(huán)境比特影響的有效方法成為大規模超導量子計算中提高邏輯門(mén)操作保真度亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

  近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在超導量子計算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該小組利用可調耦合的多量子比特系統首次實(shí)驗研究了環(huán)境比特對于交叉共振邏輯門(mén)（Cross-resonance（CR））的影響并提出了實(shí)驗解決方案。

  圖1：(a)實(shí)驗系統示意圖（4個(gè)計算量子比特（Q1-Q4）與3個(gè)可調耦合器比特（C1-C3）），其中門(mén)比特Q2和Q3用來(lái)實(shí)現CR門(mén)，Q1和Q4為環(huán)境量子比特。(b) 環(huán)境比特對CR門(mén)操作影響示意圖。

  研究過(guò)程中，研究人員利用四個(gè)計算量子比特（Q1-Q4）和三個(gè)可調耦合器量子比特（C1-C3），通過(guò)耦合器比特調節計算量子比特間的耦合強度，并發(fā)展三比特哈密頓層析技術(shù)，研究環(huán)境比特（Q1和Q4）對于門(mén)比特間（Q2和Q3）CR門(mén)的影響。

  實(shí)驗結果表明，環(huán)境比特對雙量子比特門(mén)操作的影響主要來(lái)源于環(huán)境比特處于特定頻率時(shí)的系統共振激發(fā)以及門(mén)操作過(guò)程中環(huán)境比特與門(mén)比特之間的ZZ相互作用，這些因素影響了門(mén)比特的頻率，進(jìn)而扭曲CR門(mén)的演化，最終降低了雙比特門(mén)操作的保真度，甚至會(huì )導致CR門(mén)操作失效。

  圖2：孤立體系的CR門(mén)（左）和受到環(huán)境比特影響的CR門(mén)（右）

  這項工作提出了在大規模超導量子體系中，環(huán)境比特存在和不存在兩種情況下有效提高雙量子比特門(mén)操作保真度的解決方案，該實(shí)驗結果對未來(lái)大規模超導量子計算和模擬中比特頻率和耦合強度等參數的設計與控制提供實(shí)驗參考和解決方案。

  該成果的研究論文《可調耦合超導電路中環(huán)境比特對雙量子比特門(mén)操作的影響》（Impact of Spectators on a Two-Qubit Gate in a Tunable Coupling Superconducting Circuit）于近日在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上刊發(fā)。

  該論文共同第一作者為交叉信息研究院博士生蔡天奇和韓璽月，通訊作者為段路明教授和宋祎璞研究員。其他作者包括交叉信息研究院博士后吳宇?lèi)?，博士研究生馬玉林、王家輝、王志凌以及助理研究員張宏毅和王海艷。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（項目編號11874235）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（項目編號2016YFA0301902）和清華大學(xué)自主研發(fā)項目的資助與支持。

  論文鏈接：  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.060505