首次在固態體系實現保真度99.92%的量子CNOT門

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記者1月30日從中國科學技術大學獲悉，該校中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展等人，基于金剛石氮-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)。該項研究成果日前發表在《物理評論快報》上。

中國科大供圖

高保真兩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重要的作用。然而，量子比特會不可避免地與環境發生相互作用，這極大地降低了邏輯門的保真度，對于固態量子系統更是如此。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%，此前僅離子阱體系實現了保真度約為99.9%的兩比特門。固態體系由于受到更為嘈雜的固態環境的干擾，實現超過99.9%保真度的兩比特門是一項艱巨的挑戰。

理論上，通過量子糾錯過程，只要在物理比特上實現錯誤低于容錯閾值的量子門，就可以在邏輯比特上獲得錯誤更小的量子門。類似地，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操控脈沖之間相互抵消。

研究團隊通過對噪聲的細致測量，建立了一個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。基于動力學糾錯的思想，研究人員對形狀脈沖進行了精巧的設計，使其能抵抗噪聲模型中的各種磁噪聲，最終將磁噪聲對CNOT門的影響降低了兩個數量級，降至10的負4次方以下。實驗上，研究人員測得形狀脈沖實現的CNOT門保真度為99.920(7)%，并分析得知，剩余錯誤主要來自于形狀脈沖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。

該研究給出的方法是通用的，可進一步推廣至其它固態體系，如硅量子點、金剛石和碳化硅中的其它缺陷、稀土摻雜系統等。

關鍵詞： 研究人員 信息處理 物理評論快報 量子噪聲