近日，精密測量院研究員馮芒課題組與鄭州大學(xué)、廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院合作，利用超冷離子實驗平臺，設(shè)計和完成了基于非循環(huán)非絕熱的幾何量子邏輯門實驗，在單個⁴⁰Ca⁺離子層面上首次高精度地演示了這種普適的量子邏輯門同時具備的容錯和快捷的優(yōu)良特性，研究成果發(fā)表在《物理評論快報》上。

　　量子計算機是利用量子態(tài)的受控演化實現(xiàn)邏輯運算以及信息處理和存儲的一種全新概念的物理裝置，是一項顛覆性的未來技術(shù)。建造量子計算機的技術(shù)要求極富挑戰(zhàn)性，需要精準操控成百上千個量子比特，需要較長時間地保持系統(tǒng)的量子特性，也需要量子體系與經(jīng)典體系的完美協(xié)作。迄今為止，世界上還沒有研制出通用型的量子計算機。但是，世界各地的許多實驗室正投入巨大的熱情追尋著這個夢想。提高量子邏輯門操作的精度和速度一直是研制量子計算機的主攻方向之一，而這兩者卻往往是相互牽制，速度提高了就會導(dǎo)致精度下降，反之亦然。

　　利用幾何相位完成的量子操作具有抵御局域噪聲的容錯功能，因此多年來備受量子計算機研制者的關(guān)注。但這種幾何量子操作往往需要絕熱地（即緩慢地）完成，而且門操作時間固定，不會因為相位的不同而縮短，因此在實際運用中會受到耗散效應(yīng)的較大影響。不過，近年的研究進展已經(jīng)逐步突破了絕熱條件，使得幾何量子計算能以非絕熱的方式完成。2020年的最新理論研究成果進一步表明，如果能夠精確控制量子參數(shù)沿著布洛赫球面的測地線演化，基于非循環(huán)幾何相位的原則，在不需要完成一個完整循環(huán)的條件下便能以非絕熱的方式實現(xiàn)容錯的量子邏輯門，由此進一步提升操作速度，并能抑制退相干效應(yīng)的不良影響。由于這種情況下的幾何量子邏輯操作以一種非循環(huán)的方式完成，因此針對某個具體的邏輯門，其所需時間不是固定的，而是與具體的邏輯門有關(guān)， 因此有可能通過精巧的方案設(shè)計，實現(xiàn)容錯性強且普適的快速量子邏輯門。

　　離子阱系統(tǒng)是目前最有希望建造量子計算機的候選者之一。馮芒科研團隊一直在發(fā)展基于⁴⁰Ca⁺離子的邊帶冷卻、精確操控和精密測量等關(guān)鍵技術(shù)。在前期工作的基礎(chǔ)上，該團隊精心設(shè)計了兩個常用的單比特邏輯門的普適型量子操作，針對離子阱體系中三種主要的實驗誤差，實驗比較了非循環(huán)非絕熱幾何量子操作（NNGQC）、常規(guī)的非絕熱幾何量子操作（NGQC）和常規(guī)動力學(xué)量子操作（DQC）的執(zhí)行效果。實驗結(jié)果清晰地顯示，在三種主要誤差存在的情況下，NNGQC不僅可以節(jié)約操作時間，而且保真度明顯高于其它兩種門操作，這種快捷且容錯的特點在連續(xù)多次的操作中能展現(xiàn)出更為顯著的效果。尤為重要的是，這種NNGQC操作能夠直接推廣到兩個量子比特的邏輯門操作中。這意味著NNGQC將來有可能真正運用于普適的量子計算操作。

　　該項工作有助于加深對幾何位相和幾何量子操控的理解，也將進一步推動量子信息科學(xué)的發(fā)展。該項工作中所展示的同時提升量子邏輯操作的速度和精度的方案，可為量子計算機的研制提供新的思路。精密測量院博士章嘉偉、鄭州大學(xué)副教授閆磊磊和精密測量院博士李加沖為文章的共同第一作者。鄭州大學(xué)副教授蘇石磊、精密測量院副研究員周飛和研究員馮芒為通訊作者。

　　該研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃項目“基于原子、離子與光子的少體關(guān)聯(lián)精密測量”、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專項項目和國家自然科學(xué)基金項目的資助。

　　論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.030502。

基于⁴⁰Ca⁺離子的NNGQC實驗原理圖。左圖為量子比特的邏輯操控示意圖；右圖是U1邏輯門和 Hadamard邏輯門的幾何邏輯操作所對應(yīng)的量子參數(shù)態(tài)演化示意圖

NNGQC、NGQC和DQC分別執(zhí)行U1邏輯門的實驗結(jié)果比較。上圖列出了三個門操作的時間對比為1: 2: 2.5; 下圖比較了三個門操作下的量子態(tài)演化和誤差情況，其中IQC為當作參考的理想門操作