近日，精密測量院研究員馮芒課題組與鄭州大學(xué)、廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院合作，利用超冷離子實(shí)驗平臺，設計和完成了基于非循環(huán)非絕熱的幾何量子邏輯門(mén)實(shí)驗，在單個(gè)40Ca+離子層面上首次高精度地演示了這種普適的量子邏輯門(mén)同時(shí)具備的容錯和快捷的優(yōu)良特性，研究成果發(fā)表在《物理評論快報》上。

　　量子計算機是利用量子態(tài)的受控演化實(shí)現邏輯運算以及信息處理和存儲的一種全新概念的物理裝置，是一項顛覆性的未來(lái)技術(shù)。建造量子計算機的技術(shù)要求極富挑戰性，需要精準操控成百上千個(gè)量子比特，需要較長(cháng)時(shí)間地保持系統的量子特性，也需要量子體系與經(jīng)典體系的完美協(xié)作。迄今為止，世界上還沒(méi)有研制出通用型的量子計算機。但是，世界各地的許多實(shí)驗室正投入巨大的熱情追尋著(zhù)這個(gè)夢(mèng)想。提高量子邏輯門(mén)操作的精度和速度一直是研制量子計算機的主攻方向之一，而這兩者卻往往是相互牽制，速度提高了就會(huì )導致精度下降，反之亦然。

　　利用幾何相位完成的量子操作具有抵御局域噪聲的容錯功能，因此多年來(lái)備受量子計算機研制者的關(guān)注。但這種幾何量子操作往往需要絕熱地（即緩慢地）完成，而且門(mén)操作時(shí)間固定，不會(huì )因為相位的不同而縮短，因此在實(shí)際運用中會(huì )受到耗散效應的較大影響。不過(guò)，近年的研究進(jìn)展已經(jīng)逐步突破了絕熱條件，使得幾何量子計算能以非絕熱的方式完成。2020年的最新理論研究成果進(jìn)一步表明，如果能夠精確控制量子參數沿著(zhù)布洛赫球面的測地線(xiàn)演化，基于非循環(huán)幾何相位的原則，在不需要完成一個(gè)完整循環(huán)的條件下便能以非絕熱的方式實(shí)現容錯的量子邏輯門(mén)，由此進(jìn)一步提升操作速度，并能抑制退相干效應的不良影響。由于這種情況下的幾何量子邏輯操作以一種非循環(huán)的方式完成，因此針對某個(gè)具體的邏輯門(mén)，其所需時(shí)間不是固定的，而是與具體的邏輯門(mén)有關(guān)， 因此有可能通過(guò)精巧的方案設計，實(shí)現容錯性強且普適的快速量子邏輯門(mén)。

　　離子阱系統是目前最有希望建造量子計算機的候選者之一。馮芒科研團隊一直在發(fā)展基于40Ca+離子的邊帶冷卻、精確操控和精密測量等關(guān)鍵技術(shù)。在前期工作的基礎上，該團隊精心設計了兩個(gè)常用的單比特邏輯門(mén)的普適型量子操作，針對離子阱體系中三種主要的實(shí)驗誤差，實(shí)驗比較了非循環(huán)非絕熱幾何量子操作（NNGQC）、常規的非絕熱幾何量子操作（NGQC）和常規動(dòng)力學(xué)量子操作（DQC）的執行效果。實(shí)驗結果清晰地顯示，在三種主要誤差存在的情況下，NNGQC不僅可以節約操作時(shí)間，而且保真度明顯高于其它兩種門(mén)操作，這種快捷且容錯的特點(diǎn)在連續多次的操作中能展現出更為顯著(zhù)的效果。尤為重要的是，這種NNGQC操作能夠直接推廣到兩個(gè)量子比特的邏輯門(mén)操作中。這意味著(zhù)NNGQC將來(lái)有可能真正運用于普適的量子計算操作。

　　該項工作有助于加深對幾何位相和幾何量子操控的理解，也將進(jìn)一步推動(dòng)量子信息科學(xué)的發(fā)展。該項工作中所展示的同時(shí)提升量子邏輯操作的速度和精度的方案，可為量子計算機的研制提供新的思路。精密測量院博士章嘉偉、鄭州大學(xué)副教授閆磊磊和精密測量院博士李加沖為文章的共同第一作者。鄭州大學(xué)副教授蘇石磊、精密測量院副研究員周飛和研究員馮芒為通訊作者。

　　該研究得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“基于原子、離子與光子的少體關(guān)聯(lián)精密測量”、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專(zhuān)項項目和國家自然科學(xué)基金項目的資助。

　　論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.030502。

基于40Ca+離子的NNGQC實(shí)驗原理圖。左圖為量子比特的邏輯操控示意圖；右圖是U1邏輯門(mén)和 Hadamard邏輯門(mén)的幾何邏輯操作所對應的量子參數態(tài)演化示意圖

NNGQC、NGQC和DQC分別執行U1邏輯門(mén)的實(shí)驗結果比較。上圖列出了三個(gè)門(mén)操作的時(shí)間對比為1: 2: 2.5; 下圖比較了三個(gè)門(mén)操作下的量子態(tài)演化和誤差情況，其中IQC為當作參考的理想門(mén)操作