首次在固態體系實現保真度99.92％量子受控非門

　　中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士、石發展教授等在量子操控領域取得重要進展，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）。相關研究成果發表于《物理評論快報》。

　　金剛石石氮-空位色心及其周圍的核自旋示意圖，形狀脈沖用來抵抗核自旋產生的噪聲 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。經過幾十年的努力，超導、離子阱、固態缺陷和量子點等量子系統，已經實現了保真度超過容錯閾值（約99%）的兩比特門。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。因此，通過結合上述兩個層次的糾錯，對初始的門保真度要求可以大大降低，這為基于現實中不完美的設備實現通用量子計算提供了一條可行的路徑。然而，由于量子糾錯過程本身會產生額外的復雜度，往往很難在實驗上獲得更高保真度的量子門。當動力學糾錯的方法應用于兩比特量子門時，也會遇到類似的問題，往往會因為沒有精確地掌握噪聲特性，使用更復雜的脈沖和更長的操控時間反而會造成更大的錯誤。

　　此次工作中，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。經過實驗，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。

　　研究人員認為，該工作的方法是通用的，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。