【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體量子比特門(mén)操控方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平教授、李海歐教授與本源量子等合作，在鍺硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系中實(shí)現(xiàn)了保真度超過(guò)99.9%的幾何量子門(mén)操作，為構(gòu)建大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算處理器提供了關(guān)鍵技術(shù)。研究成果以“High-fidelity geometric quantum gates exceeding 99.9% in germanium quantum dots” 為題，于8月26日在線發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然通訊》上。
 

　　半導(dǎo)體量子點(diǎn)憑借其兼容成熟半導(dǎo)體制造工藝的可集成性，已成為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的重要平臺(tái)?；阪N硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(2DHG)的量子點(diǎn)因其超高的空穴載流子遷移率和超強(qiáng)的自旋軌道耦合等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)全電學(xué)操控而受到國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)的廣泛關(guān)注。然而，隨著量子比特?cái)?shù)目的增多，半導(dǎo)體量子計(jì)算正步入中等規(guī)模含噪聲量子(NISQ)時(shí)代。在大規(guī)模量子比特陣列中，不同比特面臨的噪聲環(huán)境差異巨大，亟需開(kāi)發(fā)高保真度、強(qiáng)噪聲魯棒性的量子比特操作方案。
 

　　與傳統(tǒng)量子門(mén)依賴動(dòng)力學(xué)相位累積不同，幾何量子門(mén)通過(guò)參數(shù)空間中演化路徑的幾何形狀來(lái)確定幾何相位，幾何相位具有全局特征，對(duì)局部演化路徑上的噪聲擾動(dòng)和環(huán)境誘導(dǎo)的退相干等特定類(lèi)型噪聲具有天然抵抗性。研究團(tuán)隊(duì)采用門(mén)集層析技術(shù)識(shí)別出比特頻率偏移噪聲和拉比頻率噪聲兩類(lèi)主要噪聲源，并確定前者是影響量子門(mén)操作保真度的核心因素。基于此發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)采用針對(duì)這兩類(lèi)噪聲的理論優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)了高保真度的幾何量子門(mén)操控。
 

　　為了全面評(píng)估幾何量子門(mén)的性能優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)和新型幾何量子門(mén)進(jìn)行了系統(tǒng)性對(duì)比測(cè)試。結(jié)果顯示，傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)在拉比頻率增大時(shí)操作保真度提升但逐漸飽和，此時(shí)單量子比特門(mén)(I門(mén))的保真度仍與99%的高性能標(biāo)準(zhǔn)存在明顯差距。相比之下，幾何量子門(mén)在大工作范圍內(nèi)展現(xiàn)出穩(wěn)定的抗噪聲能力。在較寬的拉比頻率范圍內(nèi)，其操作保真度始終保持在99%的容錯(cuò)量子計(jì)算閾值之上。更為重要的是， I門(mén)、X/2門(mén)、Y/2門(mén)的最高保真度分別達(dá)到99.98%、99.80%和99.97%，均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這一出色表現(xiàn)充分證明了，幾何量子門(mén)不僅在單一工作點(diǎn)表現(xiàn)優(yōu)異，更在大的工作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的高性能，這種“可復(fù)現(xiàn)”性對(duì)大規(guī)模量子計(jì)算處理器的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。
 

　　在噪聲魯棒性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)人工添加不同強(qiáng)度的比特頻率偏移噪聲，系統(tǒng)模擬了實(shí)際量子比特可能遇到的噪聲干擾。在實(shí)驗(yàn)研究的噪聲范圍內(nèi)，幾何量子門(mén)的操作保真度始終顯著高于傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)。即使在±2.5 MHz(±1.2 MHz)的比特頻率偏移噪聲擾動(dòng)下，幾何量子門(mén)X/2門(mén)和Y/2門(mén)(I門(mén))的保真度仍能穩(wěn)定保持在99%之上。這一噪聲容忍范圍與實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的噪聲水平吻合，充分表明幾何量子門(mén)方案在真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中具備有效的噪聲抵抗能力，可顯著降低頻繁校準(zhǔn)的需求。
 

　　圖1. (a)傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)在不同工作條件下的操作保真度。(b) 幾何量子門(mén)的路徑示意圖。(c) 幾何量子門(mén)在不同工作條件下的操作保真度。對(duì)比(a)和(c)發(fā)現(xiàn)，隨著在拉比頻率增大，傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)操作保真度有所提升但逐漸飽和，幾何量子門(mén)的操作保真度始終穩(wěn)定保持在99%之上。 (d)-(f) 人工添加不同強(qiáng)度的比特頻率偏移噪聲后，傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)與幾何量子門(mén)性能對(duì)比。幾何量子門(mén)的保真度始終顯著高于傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)門(mén)，且隨著噪聲增大，動(dòng)力學(xué)門(mén)的操作保真度下降更明顯。

 

　　在大規(guī)模量子比特陣列中，頻繁的比特校準(zhǔn)不僅消耗大量的資源，還可能引入額外的誤差。幾何量子門(mén)的強(qiáng)噪聲魯棒性有望大幅減少比特的校準(zhǔn)需求，為構(gòu)建大規(guī)模量子處理器節(jié)約關(guān)鍵資源。
 

　　量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生周雨晨為論文第一作者。李海歐教授、王桂磊研究員和郭國(guó)平教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家基金委、安徽省和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。