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[转载]FOP | 前沿研究：超导量子电路中实现高效且快速的三量子比特门

已有 667 次阅读 2024-8-29 09:58 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

RESEARCH ARTICLEXiao-Le Li, Ziyu Tao, Kangyuan Yi, Kai Luo, Libo Zhang, Yuxuan Zhou, Song Liu, Tongxing Yan*, Yuanzhen Chen*, and Dapeng Yu, Hardware-efficient and fast three-qubit gate in superconducting quantum circuits, Front. Phys. 19(5), 51205 (2024)

PDF全文下载：https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s11467-024-1405-8

在量子计算理论中，多比特门被广泛应用于量子信息的处理，如三比特Fredkin门和Toffoli门等。此外，多比特门也经常被用在多体相互作用的量子模拟中。在传统的量子线路编译方式中，这些多比特门会被分解成若干个两比特门和单比特门的组合，需要花费较多的计算资源。因此，在实验上实现高效的多比特门将会大幅减少量子算法所需的线路深度，是更高效率的硬件实现方式。对于当前已步入含噪声的中等规模量子(NISQ)时期的量子计算和量子模拟平台来说，更高效的硬件实现可以极大地帮助克服由退相干和控制误差所带来的问题。

在本工作中，南方科技大学物理系暨量子科学与工程研究院严通行&陈远珍课题组基于超导量子计算实验平台，提出并实现了一种高效的类Fredkin三比特门【Front. Phys. 19(5), 51205 (2024)】。方案的核心思想是对transmon类型的超导量子比特施加三段调制比特频率的控制脉冲，并利用比特的高能级之间的跃迁来实现三比特门。对比特高能级这一量子资源的充分利用既可以减少所需的操作数目，又可以缩短量子操作所需的时间，因为transmon比特的高能级之间的跃迁速率更快。实验中获得的三比特门时长约为40纳秒，与常用的两比特门和单比特门的时长相当。我们测量了三比特门的真值表，估算出门保真度为91.2%。我们还对两个目标比特进行了量子过程层析表征，得到的对应控制比特处于0和1态时的保真度分别为86.0%和81.1%。通过将这种三比特门作用于特定的初始直积态，我们还制备了三量子比特的最大纠缠态，其保真度为96.5%。最后，实验还演示了通过调节脉冲参数来实现一系列不同旋转角度的三比特受控交换门。

此项研究为在超导量子线路中实现高效三比特门提供了新的可能性，可以帮助减少实现包含三比特门的量子算法的线路深度。该方案有望被推广至更多比特的情形，以实现更大规模的多比特量子门。

严通行，南方科技大学量子科学与工程研究院助理研究员。主要从事基于超导量子比特的量子控制和量子模拟实验研究。已在Phys. Rev. Lett.等期刊发表论文30余篇。

陈远珍，南方科技大学物理系副教授。从事量子信息实验研究，具体方向为基于超导量子线路的量子计算和量子模拟。主要研究内容包括：超导量子芯片、鲁棒性量子控制、量子体系的噪声与退相干、多体系统的量子模拟、几何量子计算等。目前已在Phys. Rev. Lett.、Nature Mater.等期刊发表论文40余篇。

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