中科大團隊實現量子計算的時間最優控制 Phys. Rev. Lett. 論文推薦

2021-03-02 科研圈

撰文 Michael Schirber

編譯 彭曉晗

審校 金莊維

中科大杜江峰團隊的最新研究實現了兩位量子邏輯門的時間最優控制，操作精度高達99%。

 

汽車或手機的 GPS 可以給出到達目的地的最快路線，這種時間最優問題對於量子計算也很重要。因為環境會對量子系統產生幹擾，導致系統相干性流失，所以計算進行得越快，系統越不容易退相干。中科大的研究人員實現了在最短時間內對兩個量子位進行操作。這表明對於一般的兩位量子邏輯門，時間最優控制也有可能實現。

 

 「非門」是量子操作的一個簡單示例，使用光脈衝將量子位從0態「旋轉」到1態就能實現。由此進行推廣，任意操作均可描述為量子態空間中圍繞不同軸的一組旋轉。然而，不同的旋轉組合可能產生相同的結果，使用量子最速降線方程（QBE）可以找到其中耗時最短的組合，實現時間最優控制。


最速降線問題最早由伽利略在1630年提出：一個小球從空間一點滑落到下方（不在同一垂直線上）的另外一點，沿哪條曲線下滑最快？經典的最速降線問題早已得到解決。量子版本的最速降線問題則關心如何將量子系統在最短時間內驅動到目標狀態。2007年提出的量子最速降線方程為其中一類問題的解決提供了理論框架。但相關的實驗工作局限於單量子位系統。

中科大的杜江峰團隊在時間最優控制實驗中使用微波脈衝控制氮氣-空穴色心（nitrogen-vacancy center，金剛石中的一種缺陷）體系中的量子邏輯門。對於單量子位系統和雙量子位系統，他們都用 QBE 計算出完成邏輯門操作所需脈衝的幅度和相位。實驗測得計算確定的旋轉組合比常規組合大約快15％，而且操作精度高達99%。

 

這項研究發表於《物理評論快報》。

 

原文連結http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.117.170501

中科大新聞報導 http://physics.ustc.edu.cn/bencandy.php?fid=23&id=2699

論文基本信息

 

【題目】Experimental Time-Optimal UniversalControl of Spin Qubits in Solids

【作者】Jiangfeng Du et.al.

【期刊】Phys. Rev. Lett. 117, 170501

【日期】2016.10.19

【DOI】10.1103/PhysRevLett.117.170501

【摘要】

Quantum control ofsystems plays an important role in modern science and technology. The ultimategoal of quantum control is to achieve high-fidelity universal control in atime-optimal way. Although high-fidelity universal control has been reported invarious quantum systems, experimental implementation of time-optimal universalcontrol remains elusive. Here, we report the experimental realization oftime-optimal universal control of spin qubits in diamond. By generalizing arecent method for solving quantum brachistochrone equations [X. Wang et al.,Phys. Rev. Lett. 114, 170501 (2015)], we obtained accurate minimum-timeprotocols for multiple qubits with fixed qubit interactions and a constrainedcontrol field. Single- and two-qubit time-optimal gates are experimentallyimplemented with fidelities of 99% obtained via quantum process tomography. Ourwork provides a time-optimal route to achieve accurate quantum control andunlocks new capabilities for the emerging field of time-optimal control ingeneral quantum systems.

【連結】http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.170501

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