清华大学段路明组在超导量子计算领域取得重要进展

来源：清华大学交叉信息研究院

近日，清华大学交叉信息研究院段路明研究组在超导量子计算领域取得重要进展，该小组利用可调耦合的多量子比特系统首次实验研究了环境比特对于交叉共振逻辑门（Cross-resonance（CR））的影响并提出了实验解决方案。该成果的研究论文《可调耦合超导电路中环境比特对双量子比特门操作的影响》（Impact of Spectators on a Two-Qubit Gate in a Tunable Coupling Superconducting Circuit）刊发于国际学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

近年来，CR逻辑门成为超导量子计算中一种非常重要的双比特门操作，这种门操作无需调节量子比特频率，因此无需使用比特磁通线，避免因调频而引入的退相干误差，同时又可通过改变驱动功率方便地调节门操作的速度，因而被广泛运用于大规模超导量子计算中。但是在大规模超导量子体系中，双量子比特门操作不可避免地受到环境量子比特的严重影响，因此找到减小或消除环境比特影响的有效方法成为大规模超导量子计算中提高逻辑门操作保真度亟待解决的关键问题之一。然而在超导电路中实现比特间可控耦合较为困难，因此之前在实验上尚未实现环境比特对双量子比特门操作影响的定量研究。

图1：(a)实验系统示意图（4个计算量子比特（Q1-Q4）与3个可调耦合器比特（C1-C3）），其中门比特Q2和Q3用来实现CR门，Q1和Q4为环境量子比特。(b) 环境比特对CR门操作影响示意图

在这项工作中，研究人员利用四个计算量子比特（Q1-Q4）和三个可调耦合器量子比特（C1-C3），通过耦合器比特调节计算量子比特间的耦合强度，并发展三比特哈密顿层析技术，研究环境比特（Q1和Q4）对于门比特间（Q2和Q3）CR门的影响。实验结果表明，环境比特对双量子比特门操作的影响主要来源于环境比特处于特定频率时的系统共振激发以及门操作过程中环境比特与门比特之间的ZZ相互作用，这些因素影响了门比特的频率，进而扭曲CR门的演化，最终降低了双比特门操作的保真度，甚至会导致CR门操作失效。这项工作提出了在大规模超导量子体系中，环境比特存在和不存在两种情况下有效提高双量子比特门操作保真度的解决方案，该实验结果对未来大规模超导量子计算和模拟中比特频率和耦合强度等参数的设计与控制提供实验参考和解决方案。

图2：孤立体系的CR门（左）和受到环境比特影响的CR门（右）

该论文共同第一作者为交叉信息研究院博士生蔡天奇和韩玺月，通讯作者为段路明教授和宋祎璞研究员。其他作者包括交叉信息研究院博士后吴宇恺，博士研究生马玉林、王家辉、王志凌以及助理研究员张宏毅和王海艳。该工作得到了国家自然科学基金（项目编号11874235）、国家重点研发计划（项目编号2016YFA0301902）和清华大学自主研发项目的资助与支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.060505

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