南科大、深圳量子院在集成量子芯片中实现抗关联噪声的稳健量子门

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南科大、深圳量子院在集成量子芯片中实现抗关联噪声的稳健量子门

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随着量子计算技术的不断发展，量子线路的集成度和复杂度不断提高，关联噪声成为制约其性能的重要因素。近日，南方科技大学和深圳国际量子研究院俞大鹏院士团队在这一领域取得重要突破，成功在集成量子芯片中实现了抗关联噪声的稳健量子门。

研究背景与意义

量子计算的发展面临着一个重要的挑战：随着量子线路变得更加集成和复杂，先前那些微不足道的额外错误源开始出现。因此，量子门在原始条件下进行基准测试的保真度不足以预测其在实际线路中的性能。为了克服这一问题，除了孤立保真度之外，还必须提高它们对相关错误模型的稳健性。

研究团队与成员

6月20日，南方科技大学、深圳国际量子研究院俞大鹏院士团队的成果以“Robust Quantum Gates against Correlated Noise in Integrated Quantum Chips”（集成量子芯片中的抗关联噪声的稳健量子门）为题在期刊Physical Review Letters发表。

论文共同第一作者为Kangyuan Yi（南方科技大学物理系2019级博士生）、Yong-Ju Hai（本硕南科大，现为美国科罗拉多大学博尔德分校2023级博士生），论文共同通讯作者为南方科技大学严通行、邓修豪、陈远珍。

俞大鹏，中国科学院院士，深圳国际量子研究院院长，南方科技大学物理系讲席教授，研究领域包括低维量子材料、量子调控、微纳加工。

严通行，南方科技大学量子科学与工程研究院助理研究员，研究领域包括量子控制、量子模拟。

邓修豪，南方科技大学量子科学与工程研究院副研究员、博导，研究领域包括受驱量子系统动力学（量子控制、开放量子系统、线路/腔量子电动力学）、量子比特（超导量子比特、固态量子比特及跨系统互联、量子网络、量子纠错）、量子计算、量子模拟。

陈远珍，南方科技大学物理副教授，研究领域包括实验超导量子计算与量子模拟。

研究方法与实验验证

本论文中，研究团队报告了超导量子线路中基于几何框架的稳健量子门的实验实现，可用于诊断和纠正各种门错误。利用量子过程层析成像（quantum process tomography）与随机基准测试（randomized benchmarking），展示了抗准静态噪声和空间关联噪声在较宽强度范围内的稳健单量子比特门，这些噪声是大规模量子线路中相干错误的常见来源。研究团队还将该方法应用于非静态噪声，并实现了稳健的双量子比特门。这一工作为科研人员提供了一个用于实现噪声弹性复杂量子线路的多功能工具箱。

量子逻辑门通常在理想条件下单独进行基准测试，以获得超过量子纠错码（QEC code）容错阈值的高保真度。然而，在大规模量子线路中，额外的噪声通道的出现会导致错误。这些噪声（包括串扰、控制不完善、关联噪声等）会导致复杂的错误，难以在孤立门装置中进行基准测试。为了克服这个问题，需要超越孤立保真度，严格评估门对关联错误模型的稳健性。

稳健门通过精心设计的脉冲整形，内置了抗噪能力，特别是在构建复杂量子算法时，它们有助于纠正具有明显时空关联的相干错误。几何技术的发展使得可以设计平滑且持续时间短的稳健控制脉冲（RCP），这些脉冲通过将有噪声的量子演化映射到参数空间中的错误曲线来抑制各种方向的错误。这种几何对应关系为设计稳健量子控制提供了直观且系统的工具。

在实验部分，研究人员使用超导量子线路验证了基于上述RCP的稳健量子门。通过QPT和RB，展示了这些门在面对广泛的噪声环境下的优越表现。具体来说，测试了单量子比特门和双量子比特门在准静态噪声和空间关联噪声下的表现，并发现这些门显著抑制了长线路中相干错误的累积，显著提高了整体线路性能和最差情况下的保真度。

实验结果与分析

首先，研究人员展示了单量子比特门在准静态z方向噪声下的稳健性。通过调节频率驱动生成等效准静态噪声，对比了使用常规高斯驱动和RCP的四个不同量子门的性能。结果表明，RCP显著提高了门的稳健性，特别是在面对具有2 MHz ZZ相互作用的近邻量子比特时，目标量子比特的门性能在RCP脉冲下表现出更强的稳健性。

接着，研究人员探讨了对所有三个方向上的噪声和错误都稳健的量子门设计。通过考虑同时存在的控制振幅噪声和频率偏移噪声，构建了Xπ门的RCP，并展示了其在实验和模拟中的表现。结果表明，这些门在较宽的参数空间内表现出优越的抗噪能力。

最后，研究人员进行了基于Clifford的RB实验，展示了稳健量子门在应对具有长时关联的相干错误方面的优势。这些实验结果表明，稳健量子门结合其他技术，可以显著减轻由于低频噪声、系统漂移、控制不完善等引起的相干错误，极大地改善了线路深度增加时的性能。

图1：(a)量子比特真实噪声环境示意图。(b)上面板:高斯脉冲(蓝色)和RCP(橙色)的控制信号包络原理图Ω(t)。下面板：存在正文中给出的通用噪声的情况下，在几何框架中导出的两个脉冲的错误曲线。(c)存在静态频率失谐噪声的情况下，使用高斯脉冲（蓝色）和RCP（橙色）对初态为|0>的Xπ门的动力学。

图2：暴露在z方向静态噪声下的代表性单量子比特门的稳健性。

图3：抵抗控制缺陷与频率失谐Δ的稳健门。

图4：(a)在不同Δ值下进行的参考RB测量。(b)序列保真度随Clifford长度变化的方差。(c) Xπ门平均错误和最坏情况错误的数值结果。