中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子比特操控方案研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國平教授、李海歐教授和龔明教授等人與紐約州立大學(xué)布法羅分校胡學(xué)東教授以及本源量子計(jì)算有限公司合作，對量子點(diǎn)系統(tǒng)中常見的多能級系統(tǒng)的量子調(diào)控展開研究，發(fā)現(xiàn)一種新的、實(shí)用的多能級調(diào)控方案。在該方案中，通過調(diào)控微波驅(qū)動頻率、幅值等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)任意能級結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速、抗噪聲的量子比特操控。這種操控方案為實(shí)現(xiàn)高保真度量子比特操作提供了一種新途徑。該研究成果發(fā)表在4月19日出版的國際應(yīng)用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。 z>0$SBQ-  
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量子態(tài)的操控和演化在量子計(jì)算領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。所有的量子門操作，本質(zhì)上都是這種操控的結(jié)果。這一原理被用廣泛用于原子、超導(dǎo)比特、半導(dǎo)體量子點(diǎn)電荷和自旋比特等系統(tǒng)中，并在這些系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多種高保真度量子比特門。如果有效能級越簡單，則操控越容易，精度越高。相反，當(dāng)量子系統(tǒng)能級結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，對它們的調(diào)控就會非常復(fù)雜，而且可能出現(xiàn)各種串?dāng)_等。以半導(dǎo)體自旋量子比特系統(tǒng)為例，一個兩比特系統(tǒng)的理論模型為五能級結(jié)構(gòu)。使用微波驅(qū)動這樣的五能級系統(tǒng)時，系統(tǒng)中不同的相干過程相互影響，使得整個演化過程難以分析和控制。目前，相關(guān)方面的研究大多局限在各種近似條件下，這些限制不利于進(jìn)一步開發(fā)與利用微波驅(qū)動進(jìn)行比特操控。 7O%^4D  
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為了研究驅(qū)動場對多能級系統(tǒng)的影響，以往的工作往往采用數(shù)值模擬或?qū)⒍嗄芗壪到y(tǒng)約化為二能級系統(tǒng)等。然而，這些方法無法全面清晰地描述實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出的復(fù)雜現(xiàn)象。所以，在理論上尋找合適的參考系（或者基矢），可能使問題得到極大的簡化。這種方法曾被運(yùn)用在超導(dǎo)比特中，并在量子模擬方面發(fā)揮了重要作用。在量子點(diǎn)比特中，它的調(diào)控更加復(fù)雜，目前還沒有相關(guān)的工作報(bào)道。 op2Zf?Bx{+  
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在這個工作中，研究人員通過將一個穿梭態(tài)（Shuttle state）和所有其它能級耦合，并通過控制它的振動幅度和頻率，可以選擇實(shí)現(xiàn)任意兩個能級之間的等效耦合。這是因?yàn)樗鼈兊腇loquet動力學(xué)的有效模型可以通過這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)任意需要的等效模型，從而實(shí)現(xiàn)它們的量子門操控。結(jié)果證明，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，這個方案可以在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)需要的耦合，并保持很高的操控速度。利用這個方法，研究人員理論證明了任意單比特門和兩比特門操控，保真度超過99%。這個模型甚至還可以解釋以前在實(shí)驗(yàn)上不能解釋的一些新奇的奇偶效應(yīng)。這種新的方案為對多能級系統(tǒng)中的量子門操作提供了新的實(shí)驗(yàn)思路。
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