其他
有望实现任意门控！郭光灿团队提出多能级量子比特操控新方案
光子盒研究院出品
近期，中科大郭光灿院士团队郭国平教授、李海欧教授和龚明教授等人与纽约州立大学布法罗分校胡学东教授以及本源量子计算有限公司合作，对量子点系统中常见的多能级系统的量子调控展开研究。最终，团队成功发现了一种新的、实用的多能级调控方案。
——在该方案中，通过调控微波驱动频率、幅值等参数，可以实现任意能级结构，进而实现高速、抗噪声的量子比特操控。这一研究成果发表在4月19日出版的国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。
中科院量子信息重点实验室博士生周圆为论文第一作者。龚明教授、李海欧教授为论文共同通讯作者。
量子相干器件的最新发展使得已有技术水平不断接近容错量子计算。这其中，量子系统的可调谐性是其在量子信息处理中发挥作用的关键因素和推动因素。虽然更多的可调谐性通常意味着设备设计中的额外元素、制造起来更加复杂，但通过周期性驱动的弗洛凯(Floquet)工程有可能帮助解决这个难题。
为了研究驱动场对多能级系统的影响，以往的工作往往采用数值模拟或将多能级系统约化为二能级系统等。然而，这些方法无法全面清晰地描述实验中表现出的复杂现象。所以，在理论上寻找合适的参考系（或者基矢），可能使问题得到极大的简化。
量子点为量子计算和量子模拟提供了一个可行的平台，具有高集成度、全电控制和潜在的高温工作等优势。事实上，在宽频带的强纵向驱动下，两级系统中的Landau-Zener-Stückelberg(LZS)干扰已被广泛观察到，并被应用于量子比特操纵、去相位、显微技术等。
不过，在量子点比特中，它的调控更加复杂，目前还没有相关的工作报道。
随着精确的状态控制和测量技术进步，双量子点 (double quantum dots, DQD) 为探索纵向驱动的多级系统提供了一个理想的平台，并将成为实验团队在这项工作中探索的名义系统，拓宽了QD在未来量子相干器件中的前景。
实验中，研究人员通过将一个穿梭态 (Shuttle state) 和所有其它能级耦合，并通过控制它的振动幅度和频率，可以选择实现任意两个能级之间的等效耦合。
这是因为它们的Floquet动力学的有效模型可以通过这些参数实现任意需要的等效模型，从而实现它们的量子门操控。具体来说，团队开发了一种统一的方法，能够研究纵向驱动下多级系统的量子相干动力学；由此产生的多级动力学被一个effective three-level模型很好地描述。结果证明，在实验参数范围内，这个方案可以在很大范围内实现需要的耦合，并保持很高的操控速度。
利用这个方法，研究人员理论证明了任意单比特门和两比特门操控，保真度超过99%。这个模型甚至还可以解释以前在实验上不能解释的一些新奇的奇偶效应。这种新的方案为对多能级系统中的量子门操作提供了新的实验思路。
总之，通过引入纵向驱动，实验团队从理论上证明了多级量子系统的完全调控能力。
在该方案中，穿梭态发挥了关键作用。它不仅可以实现任意两个能级之间的有效耦合，还可以作为探测的手段：通过对穿梭态的测量，可以实现对量子态的非破坏性测量。
研究结果清楚地表明，相干的纵向驱动和由此产生的多级干扰导致了强大的可调谐性，因为动态过程中的相干阶段是由驱动场控制的。在量子点装置的背景下，通过驱动点间失谐来实现这种方便的可调性，对于混合量子比特和单子-三子量子比特来说是很容易得到的，并且可以在任何多子点装置中使用。
这个理论方案可能有重要用途，这是因为本文讨论的多能级系统，不仅出现在半导体量子点中，也出现在几乎所有其它的物理体系中，包括原子、离子、超导比特等。
结构越复杂，集成度越高，能级就可能越复杂。所以通过将这些方案做合适改进，同时选择合适的参数，可以在其它模型中实现类似的任意门操控——如果可以实现这一点，本文提出来的新的方案可能对量子门操控产生重要的价值，并可能促进多比特量子门操控的实现。
参考链接：[1]https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.044053[2]https://news.ustc.edu.cn/info/1055/82602.htm
|qu|cryovac>