【科技前沿】

　　科學家在固態體(ti) 係首次實現高保真度量子受控非門

　　為(wei) 可實用大規模量子計算提供可能

　　光明日報合肥2月5日電（記者丁一鳴 通訊員王敏）日前，中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士、石發展教授等在量子操控領域取得重要進展，基於(yu) 金剛石氮-空位（NV）色心量子比特實現了保真度99.92%的量子CNOT門（量子受控非門）。相關(guan) 研究成果發表於(yu) 《物理評論快報》。

　　高保真兩(liang) 比特量子門在量子信息處理，特別是容錯量子計算中起著至關(guan) 重要的作用。然而，量子比特會(hui) 不可避免地與(yu) 環境發生相互作用，這極大地降低了邏輯門的保真度，對於(yu) 固態量子係統更是如此。經過幾十年的努力，超導、離子阱、固態缺陷和量子點等量子係統，已經實現了保真度超過容錯閾值（約99%）的兩(liang) 比特門。然而，可實用的大規模量子計算要求門保真度至少達到99.9%，此前僅(jin) 離子阱體(ti) 係實現了保真度約為(wei) 99.9%的兩(liang) 比特門。固態體(ti) 係由於(yu) 受到更為(wei) 嘈雜的固態環境的幹擾，實現超過99.9%保真度的兩(liang) 比特門是一項艱巨的挑戰。

　　理論上，通過量子糾錯過程，隻要在物理比特上實現錯誤低於(yu) 容錯閾值的量子門，就可以在邏輯比特上獲得錯誤更小的量子門。類似的，通過動力學糾錯，如果環境噪聲的非馬爾科夫性能被充分利用，物理比特上的門錯誤可以在多個(ge) 操控脈衝(chong) 之間相互抵消。因此，通過結合上述兩(liang) 個(ge) 層次的糾錯，對初始的門保真度要求可以大大降低，這為(wei) 基於(yu) 現實中不完美的設備實現通用量子計算提供了一條可行的路徑。然而，由於(yu) 量子糾錯過程本身會(hui) 產(chan) 生額外的複雜度，往往很難在實驗上獲得更高保真度的量子門。當動力學糾錯的方法應用於(yu) 兩(liang) 比特量子門時，也會(hui) 遇到類似的問題，往往會(hui) 沒有精確地掌握噪聲特性，使用更複雜的脈衝(chong) 和更長的操控時間反而會(hui) 造成更大的錯誤。

　　此次工作中，研究團隊通過對噪聲的細致測量，建立了一個(ge) 準確且完整的噪聲模型，其中包括靜態噪聲、含時噪聲以及量子噪聲。基於(yu) 動力學糾錯的思想，研究人員對形狀脈衝(chong) 進行了精巧的設計，使其能抵抗噪聲模型中的各種磁噪聲，最終將磁噪聲對CNOT門的影響降低了兩(liang) 個(ge) 數量級，降至10的負4次方以下。經過實驗，研究人員測得形狀脈衝(chong) 實現的CNOT門保真度為(wei) 99.920（7）%，並分析得知，剩餘(yu) 錯誤主要來自於(yu) 形狀脈衝(chong) 的失真以及電子自旋的縱向弛豫。這二者皆可在技術上被進一步消除，因此未來有望將CNOT門保真度進一步提高到99.99%以上。

　　研究人員認為(wei) ，該工作的方法是通用的，可進一步推廣至其他固態體(ti) 係，如矽量子點、金剛石和碳化矽中的其他缺陷、稀土摻雜係統等。

　　《光明日報》（ 2023年02月06日 08版）