清華新聞網(wǎng)12月14日電 在含噪聲中等規(guī)模量子(NISQ)體系中的量子計(jì)算一直以來(lái)都被認(rèn)為是有潛力實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的應(yīng)用。在這一研究領(lǐng)域中的核心挑戰(zhàn)是通過(guò)對(duì)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)以取得高保真度的結(jié)果。概率誤差消除(PEC)方案通過(guò)對(duì)量子門(mén)的誤差進(jìn)行表征和采樣，可以消除量子線(xiàn)路期望值中存在的錯(cuò)誤，并且不需要消耗額外的量子資源，因此被認(rèn)為是一種通用且系統(tǒng)性的方法。
近日，由清華大學(xué)物理系金奇奐教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一項(xiàng)新研究展示了離子阱系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜量子線(xiàn)路進(jìn)行誤差消除的能力。這項(xiàng)研究使用最多四個(gè)離子阱量子比特來(lái)對(duì)PEC進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，以提高費(fèi)米-哈伯德模型量子模擬的精度。研究發(fā)現(xiàn)，PEC方案可以有效地提高量子線(xiàn)路運(yùn)行的保真度，從而在實(shí)驗(yàn)中成功觀(guān)測(cè)到費(fèi)米子的自旋-電荷分離現(xiàn)象。
圖1.(a)雙費(fèi)米子模式量子模擬線(xiàn)路。(b)雙比特門(mén)的準(zhǔn)概率分解。(c)-(e)雙比特門(mén)誤差表征結(jié)果。(f)包含PEC的量子模擬線(xiàn)路。(g)無(wú)誤差緩解方案的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果。(h)含誤差緩解方案的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果。(i)不同誤差緩解步驟間的保真度對(duì)比
如圖1所示，在這項(xiàng)研究中，研究人員使用離子阱量子比特對(duì)費(fèi)米-哈伯德模型進(jìn)行量子編碼，并通過(guò)對(duì)其中包含的全部多比特量子門(mén)進(jìn)行誤差標(biāo)定，使用包含PEC在內(nèi)的多種方式對(duì)量子線(xiàn)路進(jìn)行蒙特卡洛采樣，以獲得經(jīng)過(guò)誤差緩解后的線(xiàn)路運(yùn)行結(jié)果。圖1(i)展示了應(yīng)用量子誤差緩解方案后的保真度提升，可以看到量子誤差緩解方案獲得了比較明顯的效果，將線(xiàn)路中的平均多比特門(mén)操作保真度提高到99.75%。
圖2.(a)-(d)含自旋且不考慮格點(diǎn)內(nèi)相互作用的費(fèi)米子模型模擬結(jié)果。(e)-(h) 含自旋且考慮格點(diǎn)內(nèi)相互作用的費(fèi)米子模型模擬結(jié)果。(a)(e)原始數(shù)據(jù)。(b)(f)應(yīng)用誤差消除方案后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(c)(g)使用不同誤差消除方案后的結(jié)果保真度對(duì)比圖。(d)(h)自旋-電荷分布概率
除此之外，研究人員將該方案擴(kuò)展至最多四個(gè)費(fèi)米子模式的量子模擬中。如圖2所示，研究人員在四離子系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)兩個(gè)含自旋的費(fèi)米子模型進(jìn)行編碼，分別模擬了不考慮格點(diǎn)內(nèi)相互作用（圖2a-d）和考慮格點(diǎn)內(nèi)相互作用（圖2e-h）兩種情況下的量子模擬結(jié)果，通過(guò)提取其中的自旋和電荷分布（圖2d,h），可以觀(guān)察到費(fèi)米子的自旋-電荷分離，從而驗(yàn)證了誤差緩解方案對(duì)于長(zhǎng)量子線(xiàn)路的作用。
該工作已于12月7日以“囚禁離子系統(tǒng)中的誤差緩解下相互作用費(fèi)米子的量子模擬”(Error-mitigated quantum simulation of interacting fermions with trapped ions)為題發(fā)表在《npj量子信息》(npj Quantum Information)上。
該論文的共同第一作者為清華物理系博士后陳文濤和中國(guó)人民大學(xué)物理系講師張帥寧。共同通訊作者為張帥寧、中國(guó)工程物理研究院研究員李穎、北京量子信息科學(xué)研究院副研究員張靜寧與清華物理系金奇奐教授。這項(xiàng)研究得到了量子科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41534-023-00784-8
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：周襄楠
