我院薛正远研究员在基于可控耦合几何量子计算方向取得系列进展

量子计算机具有经典计算机无法比拟的计算能力，它的实现将引起信息技术的新变革。基于约瑟夫森结的超导量子比特，在可操控性和可扩展性等方面都具有很大的优势，是目前国际上公认最有希望实现量子计算的几个物理系统之一。超导芯片上量子比特可以很容易地利用电容耦合起来，实现快速的操控。然而，比特间电容耦合的强度不方便调节。因此，研究超导比特耦合的可控调节具有重要的理论和实际意义。

近日，基于参数耦合的思想，我们提出了多比特芯片上利用交流微波驱动实现不同频率的超导比特间耦合强度可控调节的一般理论。与清华大学孙麓岩副教授研究组合作，在五比特超导量子芯片上实验验证了我们的理论设想。另外，我们将比特间耦合强度调节到合适的比例，实验上演示了四比特链上完美态传输的理论方案。该研究成果以Perfect quantum state transfer in a superconducting qubit chain with parametrically tunable couplings为题发表在《Physical Review Applied》上[Phys. Rev. Appl. 10, 054009 (2018)]。《Physical Review Applied》是美国物理学会出版的应用物理学顶尖期刊。该论文共同通讯作者为薛正远研究员、清华大学量子信息中心尹章琦助理研究员和孙麓岩副教授，薛正远研究员指导的硕博连读研究生陈涛同学参与了该论文理论部分的研究工作。

众所周知，对操控噪声不敏感的高保真度量子逻辑操控是实现大规模量子计算的关键。几何量子计算是利用几何相位来实现量子逻辑门操作的量子计算策略，其特点是利用几何位相的整体几何性质来避免某些局域无规噪声的影响，从而实现高保真度的量子逻辑门。因此，基于阿贝尔和非阿贝尔几何相位的几何与和乐量子操控是量子物理和量子信息领域中非常重要的研究课题。

基于我们在参数耦合方向理论和实验的研究基础，我们提出在二维电容耦合超导比特链上实现完备非绝热几何量子计算的理论方案。数值模拟结果显示，我们的量子门方案在现有的实验参数下，可以达到非常高的保真度。同时，我们也给出了在退相干免疫子空间的非绝热几何量子计算的理论方案：此时我们避免了辅助能级和辅助比特的引入，完备的量子逻辑门组合都可以通过仅对两个物理比特的可调操控实现。我们解析证明和数值验证了几何量子操控对比特频率漂移误差比动力学操控的鲁棒性更好。该研究成果以Nonadiabatic geometric quantum computation with parametrically tunable coupling为题发表在《Physical Review Applied》上[Phys. Rev. Appl. 10, 054051 (2018)]。该论文通讯作者为薛正远研究员，薛正远研究员指导的硕博连读研究生陈涛同学为第一作者。

我们也研究了基于参数耦合的和乐量子计算方案，我们用辅助比特的方式避免了以前方案中多能级体系的使用。数值结果显示，我们可以得到高保真度量子逻辑门操作。此时，我们的方案仅使用二能级体系，因而可以避免之前方案的门操作与表面码纠错方案不兼容的问题。该研究成果以Nonadiabatic holonomic quantum computation on coupled transmons with ancillaries为题发表在《Physical Review A》上[Phys. Rev. A 98, 052314 (2018)]。该论文通讯作者为薛正远研究员，薛正远研究员指导的硕博连读研究生陈涛同学为第一作者，清华大学张江博士参与了研究工作。

我们的研究得到国家重点研发展计划(Grant No. 2016YFA0301803)，国家自然科学基金项目(No. 11874156)以及我校“挑战杯”金种子培育项目的支持。 

论文链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.054009

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.054051

https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.98.052314