清華量子信息中心孫麓巖研究組合作在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了量子糾錯(cuò)

清華新聞網(wǎng)2月16日電 清華大學(xué)交叉信息研究院孫麓巖研究組和段路明研究組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒長(zhǎng)鈴研究組合作，在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了微波光子二項(xiàng)式量子糾錯(cuò)碼，首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特的量子糾錯(cuò)和通用量子門(mén)操控。該成果論文《基于二項(xiàng)式波色碼的量子糾錯(cuò)和通用量子門(mén)操作》（Quantum error correction and universal gate set operation on a binomial bosonic logical qubit）近日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·物理》（Nature Physics）雜志上。

眾所周知，量子計(jì)算機(jī)具有在某些問(wèn)題上（比如大數(shù)因子分解和無(wú)序數(shù)據(jù)庫(kù)搜索）遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。然而，存儲(chǔ)量子信息的物理系統(tǒng)不可避免會(huì)與環(huán)境相互作用，受到噪聲的影響而失去量子特性。因此，一個(gè)實(shí)用的可容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)最終要求對(duì)量子糾錯(cuò)碼（即邏輯量子比特）實(shí)現(xiàn)編解碼和糾錯(cuò)，并在糾錯(cuò)保護(hù)下進(jìn)行量子邏輯門(mén)操控，從而防止不必要的或不受控制的錯(cuò)誤干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子信息的保護(hù)。量子糾錯(cuò)被公認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)通用量子計(jì)算的核心問(wèn)題，但是這方面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展緩慢，因?yàn)槠渌璧牧孔訉?shí)驗(yàn)技術(shù)具有非常大的挑戰(zhàn)性。當(dāng)前量子信息處理的一個(gè)迫切目標(biāo)便是實(shí)現(xiàn)由量子糾錯(cuò)保護(hù)的邏輯量子比特，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)邏輯量子比特的操作，并擴(kuò)展到在多個(gè)邏輯量子比特上執(zhí)行量子算法。

圖1： 二項(xiàng)式量子糾錯(cuò)碼示意圖。

在一般的量子糾錯(cuò)方案中，每個(gè)邏輯量子比特由很多個(gè)物理比特組成，通過(guò)冗余的自由度實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)。然而，隨著物理比特?cái)?shù)目的增加而系統(tǒng)可能發(fā)生的錯(cuò)誤通道也會(huì)增多，同時(shí)多物理比特編碼的操作需要物理比特之間非局域的相互作用，因此實(shí)驗(yàn)上量子糾錯(cuò)和邏輯比特的量子門(mén)都很難實(shí)現(xiàn)。為了克服這些問(wèn)題，孫麓巖研究組采用了一種基于單個(gè)微波諧振子的物理架構(gòu)，首次在實(shí)驗(yàn)上證明了二項(xiàng)式量子糾錯(cuò)碼和在糾錯(cuò)保護(hù)下的量子門(mén)操控。在該方案中，單個(gè)微波諧振子的無(wú)限大希爾伯特空間提供了有效的冗余自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)量子信息編碼，而錯(cuò)誤通道的數(shù)目保持不變（主要為微波光子的丟失），因此對(duì)硬件的要求大大簡(jiǎn)化，具有非常強(qiáng)的可操作性。

孫麓巖研究組在實(shí)驗(yàn)中利用一個(gè)輔助超導(dǎo)量子比特與微波光場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)了基于微波光子數(shù)按二項(xiàng)式系數(shù)疊加的量子態(tài)的編碼，通過(guò)量子反饋控制有效地對(duì)抗微波光子損耗。在實(shí)驗(yàn)中，該研究組發(fā)展了基于可編程邏輯門(mén)陣列的快速、實(shí)時(shí)量子反饋技術(shù)，同時(shí)利用接近量子極限的微波放大器實(shí)現(xiàn)了量子比特快速、高保真度讀取?；谶@兩項(xiàng)技術(shù)，他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)邏輯量子比特的連續(xù)量子糾錯(cuò)，將相干時(shí)間延長(zhǎng)為沒(méi)有量子糾錯(cuò)時(shí)的2.8倍；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)邏輯比特高保真度通用量子門(mén)操作，平均門(mén)操作保真度為97.0%；此外，還首次實(shí)現(xiàn)了在量子糾錯(cuò)保護(hù)下的邏輯比特上的量子操作，演示了Ramsey干涉實(shí)驗(yàn)，將其相干時(shí)間提高了2倍。 

圖 2： 基于二項(xiàng)式編碼的邏輯量子比特的通用量子門(mén)操控和量子糾錯(cuò)保護(hù)下Ramsey干涉

該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的二項(xiàng)式量子糾錯(cuò)碼是近幾年來(lái)在量子糾錯(cuò)方面的一個(gè)重要進(jìn)展，是實(shí)現(xiàn)基于波色子編碼的可容錯(cuò)量子計(jì)算非常重要的一步。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也為將來(lái)利用量子糾錯(cuò)在邏輯比特層面上進(jìn)行量子精密測(cè)量等方面奠定了基礎(chǔ)。

論文共同通訊作者為孫麓巖副教授和鄒長(zhǎng)鈴副研究員。清華大學(xué)交叉信息研究院2013級(jí)直博生胡玲和2016級(jí)直博生馬雨瑋為文章共同第一作者。此項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41567-018-0414-3

供稿：交叉信息研究院 編輯：李華山 審核：盧小兵