近日，物理系、量子科学与工程研究院副教授翁文康课题组和助理教授陈远珍课题组合作，在超导量子计算研究上取得进展，相关成果以“Experimental realization of nonadiabatic shortcut to non-Abelian geometric gates”为题在物理学期刊Physical Review Letters上发表。

       量子计算研究是当前世界科技前沿的热点之一，探索利用量子纠缠和叠加等量子资源对信息进行处理的全新方式，其应用将对社会产生深远的影响，因而受到各国政府和众多高科技公司的高度重视。理论上讲，任何可控的量子体系均可用于实现量子计算，但由于量子体系和所处环境的相互作用对其量子性的扰动，实际中构建量子计算机是极富挑战性的任务。基于超导量子器件的量子计算技术路线，其制备工艺和现有半导体加工技术兼容，具有较好的可扩展性；同时，超导量子线路的操控使用成熟的微波电子学技术，所以又具备很好的可操控性。因此，它被认为是最有希望实现量子计算研发突破的技术路线之一。

       从底层实现层面来看，量子计算最常见的一类实现方案是将计算过程分解为一系列基本量子逻辑门的组合。因此，构建具有高保真度的量子逻辑门是量子计算研发的核心问题之一。在上述工作中，合作团队提出并在超导量子器件上成功演示了一个新的基于几何量子相位的单比特量子逻辑门方案。

       量子计算的基本单元是量子比特，物理上可通过一个二能级量子体系实现，其两个能级分别对应比特的0和1态。单比特量子逻辑门本质上可以看成是一个量子比特的受控演化过程。在外加控制信号驱动的演化过程中，二能级体系的两个本征量子态分别获得了不同的相位，利用这样的相位差即可实现量子逻辑门。一般来说，量子演化产生的相位包括动力学相位和几何相位两个不同部分。由于几何相位对于环境噪声的干扰具有更好的鲁棒性，所以理论上讲，基于几何相位的量子门更容易实现高保真度。另一方面，为了满足实现几何相位所必需的绝热演化条件，传统的几何量子门方案都存在门操作时间太长的缺点，这对于保证量子门的保真度是一个非常不利的因素。研究者针对这个问题提出了多种解决方案。本项工作的核心思想即为利用所谓的超绝热加速技术来替代传统的绝热演化过程，从而提升超导几何量子门的速度。

       翁文康和他的博士生刘宝杰提出的新方案使用了一个三能级量子体系，其中基态和第二激发态被用作为量子比特的0和1态，第一激发态作为一个辅助能级。通过施加和体系两个量子跃迁接近共振的微波信号，并控制信号随时间的变化，可以实现对系统演化产生的几何量子相位的精确调控，进而实现任意指定的几何量子门。相对其他已有的几何量子门方案，新方案中量子门速度得到了数倍的提升，并且对控制信号误差具有更好的容错性。此外，这一方案还具有实验复杂度相对较低和易于在不同量子体系上实现等优势。陈远珍和他的博士后严通行合作，在超导量子体系中成功实现了这一方案。实验中获得的单比特量子门保真度达到了97%，引起误差的主要原因包括量子比特和环境相互作用导致的退相干，以及微波控制信号的精度误差等。

       这项工作对于进一步发展基于几何相位的量子计算具有启发意义，其后续相关研究目前也在开展之中，包括基于相同思想的两比特几何量子门和更为简化的几何量子计算方案等。

       这项工作的实验部分获得了浙江大学教授王浩华小组和中国科技大学教授朱晓波小组的协助。南科大严通行和刘宝杰为文章共同第一作者，翁文康和陈远珍为共同通讯作者，南科大物理系讲席教授、量子科学与工程研究院院长俞大鹏为最后作者。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省重大科技专项和深圳市科创委的支持。

(a) 利用受驱动三能级量子体系实现超绝热几何量子门的方案示意图；(b) 任意旋转角度几何量子门的理论与实验对比；(c) 实验使用的超导量子比特示意图；(d) 量子非门保真度的表征（柱子为实验数据，外框线为理论模拟）；(e) 本方案比传统非绝热非阿贝尔几何量子门具有更好的对操控信号误差的鲁棒性。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.080501