近日，南方科技大学物理系与量子科学与工程研究院副教授翁文康课题组及其合作者在物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上在线发表即插即用非绝热几何量子门最新研究成果。

量子计算是基于量子力学规律调控量子信息单元进行计算的一种新型计算模型，是当前世界科技前沿的热点之一。相对传统的经典计算, 量子计算能更有效解决一些经典计算机难以解决的问题, 但是量子计算也面临着很大的挑战: 一方面,在整个计算过程中需要良好的保持量子相干性，而这种相干性会因为量子体系与外部环境的不可避免的相互作用而受到破坏；另一方面,大规模量子计算的实现需要纠正量子程序执行过程中产生的错误。常规的量子逻辑门基于对动力学相位的控制，因此对控制噪声非常敏感。因此，实现高保真度量子逻辑门是实现大规模量子计算的关键。

为了解决上述挑战，研究者们提出了一种新型的量子计算：几何量子计算。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，其特点是利用几何相位的整体性质避免某些局域噪声对量子操作的影响，从而实现高保真度的量子逻辑门。因此，基于几何相位的量子操控是量子信息处理领域中非常重要的研究课题。

NHQC+ 优化控制以及三能级实现示意图

翁文康及其合作者提出了一种可优化的非绝热和乐量子计算新方案, NHQC+，打破了以往和乐量子计算（基于非对易几何相位的量子计算）对不同能级的耦合脉冲必须同步、脉冲面积必须固定的严格限制,使得几何量子计算可与优化控制理论相结合，并且大大提高了几何量子门对系统噪声鲁棒性，为进一步拓展到可结合脉冲整形技术的几何量子计算提供了可能。论文第一作者、2018级哈工大-南科大联培博士生刘宝杰称，新方案NHQC+只需要用一个三能级量子体系就可以实现，相比之前需要应用复杂脉冲序列同时控制四个能级的绝热和乐量子计算，操作更加简单，极大的降低了实验实现的难度。

该方案可以应用到各种量子计算物理实现系统，如超导量子比特，金刚石色心，囚禁离子等平台。今年2月，翁文康课题组联合南科大物理系助理教授陈远珍课题组在超导量子体系中成功演示了NHQC+新方案中的一个例子: NHQC+CD，即使用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。[Phys. Rev.Lett. 122.080501 (2019)]，验证了方案的可行性和对噪声的稳定性。

(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

从左到右：陈远珍、刘宝杰、严通行、翁文康

南科大为论文第一通讯单位，刘宝杰为第一作者，翁文康、华南师范大学研究员薛正远以及香港城市大学助理教授王欣为共同通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金委、广东省自然科学基金委、广东省重大科技专项、广东省引进创新创业团队计划项目、深圳市科创委的大力支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.100501