量子信息中心孫麓巖研究組合作實現邏輯比特上錯誤透明的相位門操作

2020-11-24 清華大學新聞網

清華新聞網5月15日電 清華大學交叉信息研究院孫麓巖研究組與中國科學技術大學鄒長鈴研究組合作，在超導量子系統中基於微波光子二項式量子糾錯碼首次實現了錯誤透明的相位門操作，可以容忍邏輯門操作中發生的錯誤。該成果論文「由量子糾錯保護的單邏輯比特上錯誤透明的操作」(Error-transparent operations on a logical qubit protected by quantum error correction）近日在線發表於《自然•物理》（Nature Physics）期刊上。

眾所周知，量子計算在某些問題的處理能力上比經典計算有指數級別的提升，在近二十年來成為一個熱門的研究方向。然而，在實際的量子系統中，與環境耦合而產生的噪聲與退相干使得量子門的保真度遠未達到可以處理實際問題的程度。為了克服這個困難，可容錯量子計算不僅要求對存儲量子信息的邏輯比特進行量子糾錯保護，而且還需要對邏輯比特操控的動力學過程進行保護，從而得到可靠的量子邏輯門。近些年來，量子糾錯已經在實驗上得到了演示，然而在受量子糾錯保護的邏輯比特上進行可容錯的量子門操作依然是個難題。

在通常由多個物理比特編碼一個邏輯比特的框架下，容錯的邏輯門操作主要由橫向門與魔術態蒸餾組成，它的實現需要大量資源，非常具有挑戰性。另一種實現容錯量子門的方法被稱作錯誤透明的量子門。該理論也首先在多物理比特編碼的框架下被提出，其實現方式需要多比特的同時耦合，因此實驗上也非常難以實現。2019年，孫麓巖研究組首先在實驗中採用玻色量子編碼，實現了基於微波光子的二項式量子糾錯碼，從而可以緩解光子損耗對光子攜帶的量子信息的影響，並首次實現邏輯量子比特的量子糾錯和通用量子門操控（Nature Physics 15, 503–508 (2019)）。現在，他們進一步考慮對糾錯碼的量子門操作中的錯誤，將錯誤透明的概念拓展到玻色編碼的邏輯比特上，演示了基於玻色編碼的邏輯量子比特上的錯誤透明相位門操作。

錯誤透明的量子操作的示意圖

實驗樣品由一個超導量子比特、一個快速讀取腔和一個高壽命存儲腔構成，而邏輯比特是對存儲腔中的光子態進行二項式編碼構成。錯誤透明的門操作要求邏輯比特在編碼空間和錯誤空間的演化完全一致。為此，研究組在實驗中發展了一種新的量子比特驅動技術，稱之為「PASS」（Photon-number-resolved AC-Stark Shift）。由於超導量子比特與存儲腔有著極強的色散耦合，超導比特的本徵頻率會隨著存儲腔內的光子數的變化而變化。因此，在接近超導比特本徵頻率的頻域範圍內施加非共振驅動，就能誘導出存儲腔內各個光子數態可控的頻率偏移。通過設計這種頻率偏移，邏輯比特在編碼空間和錯誤空間可以進行完全相同的相位門演化，從而可以實現錯誤透明的相位門。實驗顯示，在發生錯誤的情況下，錯誤透明的相位門的表現確實比普通的相位門有顯著的提升；而且在連續糾錯的情況下，邏輯比特在錯誤透明的相位門操作下比普通相位門有更加優異的相干壽命，展示了該相位門的容錯性。

錯誤透明的相位門操作過程中隨機發生的錯誤可以在其完成之後通過量子糾錯來糾正,其相干性能的表現比普通相位門有明顯的提升，展示了很好的容錯性。

該實驗實現的錯誤透明的相位門是近幾年來在量子糾錯方面的一個重要進展。其實現錯誤透明相位門的技術可以很容易擴展到Hadamard門以及兩邏輯比特門，從而能實現錯誤透明的通用量子門，為將來基於玻色子編碼的容錯量子計算提供了一種新思路。

論文共同通訊作者為孫麓巖副教授和鄒長鈴副研究員。清華大學交叉信息研究院2016級直博生馬雨瑋為文章第一作者，其他作者還包括徐源（交叉信息院2013級直博生）、穆相豪（交叉信息院2015級直博生）、蔡偉州（交叉信息院2015級直博生）、胡玲（交叉信息院2013級直博生，已畢業）、王韋婷（交叉信息院2014級直博生，已畢業）、潘嘯軒（交叉信息院2017級直博生）、王海豔（交叉信息院助理研究員）、宋禕璞（交叉信息院研究員）等。此項目得到國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金等支持。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41567-020-0893-x

供稿：交叉信息研究院

編輯：李華山

審核：程曦

相關焦點

  • 中國科大首次量子模擬馬約拉納零模的非阿貝爾幾何相位
    進一步提升自主研製的光學量子模擬器的性能，實現了對兩條Kitaev鏈上四個馬約拉納零模交換操作的量子模擬。而不同馬約拉納零模之間的交換則通過一系列耗散過程實現。這些耗散過程提供了對應自旋之間的有效相互作用。兩條Kitaev鏈上的四個馬約拉納零模可以編碼一個量子比特。
  • 未來暢想:如何實現100萬個量子比特的糾纏和量子計算
    正如第一代的各種量子技術需要在不同系統上實現一樣，第二代量子技術也可能會走類似的路線。如果對於所有的第二代量子技術，僅僅一種物理系統就能實現所有功能，那將是非常令人驚奇的。歷史已經證明，幾乎所有偶然的科學發現都是在我們突破物理極限（如使材料比以往更低溫、更純淨、更小等）的過程中湧現的。而這正是目前實驗量子信息科學正在做的事情。
  • 未來暢想：如何實現100萬個量子比特的糾纏和量子計算
    正如第一代的各種量子技術需要在不同系統上實現一樣，第二代量子技術也可能會走類似的路線。如果對於所有的第二代量子技術，僅僅一種物理系統就能實現所有功能，那將是非常令人驚奇的。歷史已經證明，幾乎所有偶然的科學發現都是在我們突破物理極限（如使材料比以往更低溫、更純淨、更小等）的過程中湧現的。而這正是目前實驗量子信息科學正在做的事情。
  • 中科大「九章」歷史性突破,但實現真正的量子霸權還有多遠?
    今天，我國的量子科技領域就迎來了歷史性的突破，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子100個模式的量子計算原型機「九章」，實現了具有實用前景的「高斯玻色取樣」任務的快速求解。相關成果登上了《Science》雜誌。
  • 科學家實現量子態在非相干操作下的轉化
    中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子相干性理論與實驗研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、項國勇等人與波蘭華沙大學以及德國烏爾姆大學理論物理學家合作，首次在理論上完全解決量子比特在非相干操作（不增加相干性的操作）下的轉化問題並設計實驗進行了驗證。
  • 到底什麼是量子計算
    量子比特和經典比特的差別在於，量子比特可以處於0 和1 的量子疊加態，用a|0> +b |1> 表示，這裡係數a 和b 刻畫了量子比特的具體狀態。量子計算有很多方式，其中廣泛使用的模型是量子線路，也就是通過在量子比特上執行一系列的邏輯操作來實現量子計算，如圖1所示。這些邏輯操作包括：量子比特的初始化、量子態的么正變換以及對量子比特信息的讀取。
  • 通用量子計算機和容錯量子計算——概念、現狀和展望
    量子比特和經典比特的差別在於，量子比特可以處於0 和1 的量子疊加態，用a|0> +b |1> 表示，這裡係數a 和b 刻畫了量子比特的具體狀態。量子計算有很多方式，其中廣泛使用的模型是量子線路，也就是通過在量子比特上執行一系列的邏輯操作來實現量子計算，如圖1所示。這些邏輯操作包括：量子比特的初始化、量子態的么正變換以及對量子比特信息的讀取。
  • 潘建偉團隊：今年預計實現60比特量子計算機
    「中國科大今年預計可以實現60量子比特、99.5%保真度的超導量子系統，而5年後，希望能將這一數字提高到千個量子比特。」8月25日，在墨子沙龍上，中國科學技術大學上海研究院教授、潘建偉團隊超導量子計算負責人朱曉波透露了中科大研發量子計算機的時間表。
  • 中國科大等實現量子態在非相干操作下的轉化
    中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子相干性理論與實驗研究中取得新進展，該團隊李傳鋒、項國勇等人與波蘭華沙大學以及德國烏爾姆大學理論物理學家合作，首次在理論上完全解決量子比特在非相干操作（不增加相干性的操作）下的轉化問題並設計實驗進行了驗證，該成果2月13日發表在國際物理學學術期刊npj Quantum Information
  • 中國科大實現量子態在非相干操作下的轉化
    我校郭光燦院士團隊在量子相干性理論與實驗研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、項國勇等人與波蘭華沙大學以及德國烏爾姆大學理論物理學家合作，首次在理論上完全解決量子比特在非相干操作（不增加相干性的操作）下的轉化問題並設計實驗進行了驗證，該成果2月13日發表在國際著名物理學學術期刊《npj Quantum Information》上。
  • 我國量子計算新成果!全新半導體量子晶片架構有望實現多量子比特...
    近日，本源量子與中科大郭光燦團隊合作，在利用微波諧振腔耦合與擴展半導體量子比特研究中取得新進展，實現兩個半導體量子比特與微波諧振腔強耦合，並初步探索了利用片上微波光子耦合多量子比特的半導體量子晶片架構。該研究成果近期在線發表在國產綜合性旗艦期刊Science Bulletin上。
  • 量子計算機研究新突破,打破量子比特信息傳輸速度限制
    圖2 | 一種新的量子信息剪切和粘貼協議首先將一個量子比特(藍點)的內容傳播到一個區域(黑圈)上。然後，利用遠程相互作用(藍色條紋)來傳輸信息。最後，在目標量子位(紅點)上收集信息。(來源: 加州理工學院)最近，筆者與量子計算領域的專家訪談交流時，提到了量子比特間信息傳遞速度問題。在量子信息傳遞過程中，速度是如何受到影響的？
  • 清華交叉信息研究院金奇奐研究組實現囚禁離子系統中量子場論的...
    清華交叉信息研究院金奇奐研究組實現囚禁離子系統中量子場論的量子模擬清華新聞網1月18日電 清華交叉信息研究院量子信息中心金奇奐研究組於1月15日在《自然·通訊》（Nature Communications）發表論文《通過交換波色子的費米子——反費米子散射過程在囚禁離子中的量子模擬實驗》（Experimental
  • 科研人員實現秒級均衡相干時間的異種原子量子比特
    他們進而在MI-ODT中引入雷射偏振作為一個新的調控參數，從而在同一組調控參數中達到兩種原子都有較長的相干時間，實現了兩種類型量子比特疊加態的相干時間均衡，並且均提升到約1 秒。該研究結果近日發表在《物理評論快報》上。 光阱陣列中的中性原子體系展現了極好的擴展性，因此在量子模擬和量子計算中有廣闊的應用前景。
  • 量子通信研究首次實現高保真度32維量子糾纏態
    科技日報訊 （記者吳長鋒）記者從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊在高維量子通信研究中取得重要進展，團隊中的李傳鋒、柳必恆研究組與奧地利科學院馬庫斯·胡貝爾教授研究組合作，首次實現了高保真度的32維量子糾纏態。
  • 厲害了我的歌,72位量子比特通用量子計算機就想實現量子霸權
    量子計算是指，在算法層面，用量子定律替換布爾邏輯體系後對硬體和軟體的全新設計。對於優化、取樣、搜索或量子模擬等運算，量子計算技術有望大幅提升運算速度。谷歌今天宣布推出72位量子比特的通用量子計算機Bristlecone，實現1%的低錯誤比率，並認為其可以實現量子霸權。量子霸權是指我們做出一個量子器件，規模足夠大，我們沒有辦法用經典算法去模擬它，不是目的地而是起點。
  • 量子信息周報：日本發力量子計算機；麻省理工人造「巨型原子」
    啟科量子專注於量子信息處理技術的研發與應用>——產業動態——日本成立產學合作協會 發力量子計算機7月30日，以東京大學為主體的產學合作協會正式成立。start=0——技術研究——Nature：麻省理工人造「巨型原子」問世，量子處理和量子通信合二為一近日，麻省理工學院的研究人員介紹了一種量子計算架構，它可以執行低錯誤的量子計算，同時在處理器之間快速共享量子信息。
  • 中國科學家在量子通信研究領域首次實現高保真度32維量子糾纏態
    記者從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊在高維量子通信研究中取得重要進展，團隊中的李傳鋒、柳必恆研究組與奧地利科學院馬庫斯·胡貝爾教授研究組合作，首次實現了高保真度的32維量子糾纏態。相比0和1的2維系統，高維量子糾纏態在信道容量上有著巨大優勢。
  • 我國科學家在半導體量子比特耦合與擴展上取得新進展
    科技日報合肥11月30日電（記者 吳長鋒）記者從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團隊郭國平課題組與合作者及本源量子計算公司等合作，在利用微波諧振腔耦合與擴展半導體量子比特研究中取得新進展。課題組在實現兩個半導體量子比特與微波諧振腔強耦合的基礎上，開發新型譜學方法系統表徵了兩量子比特間耦合模式的演化。該研究成果近期在線發表在國產綜合性旗艦期刊《Science Bulletin》上。半導體量子點由於具有良好的可擴展性、與現代半導體工藝技術兼容的優點，是量子計算的重要候選載體之一。
  • 將量子計算的速度提升200倍!矽基原子級兩比特量子門問世
    近日，澳大利亞物理學家宣布了在量子計算領域的新進展，使基於矽的磷原子可擴展量子計算從原理上得到實現，是構建原子級量子計算機的重要裡程碑。」（「可擴展的量子計算」指能夠實現的量子比特數量要具有一定的規模——擁有幾百到上千個量子比特的量子計算機才真正具有比經典計算機優越的性能，其中所有的量子比特之間應當能夠互相分辨,單獨操作,以及從整體上完全掌控它們的行為。） 他們的晶片利用掃描隧道顯微鏡進行加工。