量子计算纠错新突破：首次实现立方相态

光子盒研究院出品

在三维微波腔中承载光的非经典状态已成为连续变量(CV)的量子信息处理的一个有前途的范例。查尔姆斯理工大学的量子技术研究人员成功地开发了一种在三维空腔中控制光量子态的高保真生成技术，这些量子态包括薛定谔猫态、二项式态、Gottesman-Kitaev-Preskill态，以及立方相态[1]。

右边的铝制谐振器的插图。蓝色和红色的图案显示了查尔姆斯研究人员可以创造和控制的量子力学状态。从上往下数，这些状态是：Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)态、立方相态（Cubic phase state）、二项式态（Binomial state）、福克态（Fock state）和猫态（Cat state）。

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首次展示立方相态

除了创造以前已知的状态外，研究人员还首次展示了长期寻求的立方相态。这一突破是向量子计算机的高效纠错迈出的重要一步。

查尔姆斯大学实验量子物理研究小组的负责人、这项研究的资深作者之一Simone Gasparinetti说：“我们已经表明，我们的技术与世界上最好的技术相当。”

正如传统计算机是基于可以取值为0或1的比特，构建量子计算机的最常用方法也采用了类似的方法。具有两种不同量子状态的量子力学系统，被称为量子比特（qubits），被用作构建块。其中一个量子态被分配为0值，另一个为1值。然而，由于量子力学的叠加状态，量子比特可以是0和1两种状态的组合，从而使量子计算机能够处理大量的数据，并有可能解决当前的超级计算机所无法解决的问题。

实现实用的量子计算机的一个主要障碍是，用于编码信息的量子系统容易受到噪声和干扰，从而导致错误。纠正这些错误是发展量子计算机的一个关键挑战。一种有前途的方法是用谐振器代替量子比特——量子系统除了具有两个已定义的状态，还有其他非常多的状态。这些状态可以被比作吉他弦，它可以以许多不同的方式振动。这种方法被称为连续变量(CV)量子计算，它使得在一个谐振器的几个量子力学状态中编码1和0的值成为可能。

(a)用于制备和描述状态的脉冲序列。用C、Q和R分别表示腔体、量子比特和读出谐振器。(b)为找到理想的位移和SNAP门而进行的两个优化步骤。(c)耦合到反式量子比特的几何空腔的图。(d)芯片的放大图，其中包括条线读出谐振器和transmon量子比特。

然而，控制谐振器的状态是一个挑战，全世界的量子研究人员都在努力解决这个问题。而查尔姆斯的成果提供了一种方法来做到这一点。新开发的技术使研究人员能够产生几乎所有先前证明的光量子态，例如薛定谔猫态或Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）状态，以及以前只在理论上描述的立方相态。

立方相态是许多量子研究人员二十年来一直试图在实践中创造的东西。微技术和纳米科学系的博士生、该研究的主要作者Marina Kudra说：“我们现在第一次成功地做到了这一点，这证明了我们的技术有多么好用。但最重要的进展是，有这么多复杂程度不同的状态，我们已经找到了一种技术，可以创造其中的任何一种。”

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提高了门速度

光子的量子力学特性是通过应用一组称为门的电磁脉冲来控制的。研究人员首先成功地使用一种算法来优化简单位移门和复杂SNAP门的特定序列，以生成光子的状态。当复杂的门的操作时间被证明太长时，研究人员找到了一种方法，使用最佳控制方法优化电磁脉冲，使它们变得更短。

“我们的SNAP门速度的大幅提高使我们能够减轻量子控制器中退相干的影响，将这项技术向前推进了一步。”Simone Gasparinetti说：“我们已经表明，成功完全控制了我们的量子机械系统。”

实现这一结果也取决于高质量的物理系统（铝制谐振器本身和超导电路）。Marina Kudra之前已经展示了铝制腔体是如何创建的：首先对其进行铣削，然后通过包括将其加热到500摄氏度以及用酸和溶剂清洗等方法使其极为清洁。将电磁门应用于空腔的电子设备是与瑞典公司Intermodulation Products合作开发的[2]。

实验产生的量子态。顶行：实验数据；底行：目标状态。(a)双光子福克态；(b)二项式态，以及(c)猫态。这三种状态平均有两个光子，用两个SNAP门和位移门（displacement）创建。接下来，（d）平均有四个光子的GKP态和（e）立方相态。GKP状态是用三个SNAP门和四个位移门准备的，立方相态是用三个SNAP门和三个位移门创建。

生成量子态的状态保真度。

优化和“标准”SNAP门的模拟保真度与校准参数。虚线之间的距离代表参数跨度，其中保真度在最大的1%以内。优化的SNAP门与“标准”的SNAP门，后者是4μs长脉冲的叠加，其中心是与光子数量有关的量子比特频率。

这项研究是在瓦伦堡量子技术中心（WACQT）的框架下在查尔姆斯进行的，WACQT是一项综合研究计划，其目的是使瑞典的研究和产业成为量子技术的领导者。该计划由Per Delsing教授领导，一个主要目标是开发量子计算机。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2022-09-quantum-technology-unprecedented-captured.html

[2]https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.030301

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