中国科大首次在固态体系实现保真度99.92%的量子CNOT门

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据中科大发布，中科大中科院显微磁共振重点实验室和石发展在量子操控领域取得重要进展，基于金刚石氮—空位色心量子位实现了保真度99.92%的量子CNOT门这项研究成果发表在《物理评论快报》)上，标题为99.92%—保真度cnot gates in solids by noise filtering

图:钻石氮空位色心及其周围核自旋示意图形状脉冲用于抵抗由核自旋产生的噪声

本站了解到，高保真两位量子门在量子信息处理，尤其是容错量子计算中起着至关重要的作用但是，量子比特不可避免地会与环境相互作用，这大大降低了逻辑门的保真度，尤其是对于固态量子系统经过几十年的努力，超导，离子阱，固体缺陷和量子点子系统已经实现了保真度超过容错阈值的两位门可是，实际的大规模量子计算要求门保真度至少达到99.9%此前只有离子阱系统实现了保真度约为99.9%的两位门由于更嘈杂的固态环境的干扰，实现保真度超过99.9%的两位门是一个艰巨的挑战

理论上，通过量子纠错的过程，只要实现物理比特上误差低于容错阈值的量子门，就可以获得逻辑比特上误差更小的量子门类似地，通过动态误差校正(DEC )，如果充分利用环境噪声的非马尔可夫性能，则物理位上的门误差可以在多个导向脉冲之间相互抵消因此，通过结合上述两级纠错，可以大大降低对初始门保真度的要求，为现实中基于不完善的设备实现普适量子计算提供了可行的路径但是，由于量子纠错过程本身会产生额外的复杂性，因此在实验中往往很难获得更高保真度的量子门当动态纠错方法应用于二比特量子门时，也会遇到类似的问题通常，由于没有准确地掌握噪声特性，使用更复杂的脉冲和更长的操纵时间会导致更大的误差

通过对噪声的仔细测量，本文的研究团队建立了一个准确完整的噪声模型，包括静态噪声，含时噪声和量子噪声基于动态误差修正的思想，研究人员巧妙地设计了形状脉冲来抵抗噪声模型中的各种磁噪声，最终将磁噪声对CNOT门的影响降低了两个数量级，降至10—4以下在实验中，研究人员用随机基准法测量了形状脉冲实现的CNOT门的保真度，并分析了剩余误差主要来自形状脉冲的畸变和电子自旋的纵向弛豫这两种都可以在技术上进一步消除，因此预计未来CNOT门的保真度将进一步提高到99.99%以上这项工作的方法具有普适性，可以进一步推广到其他固态体系，如硅量子点，金刚石和碳化硅中的其他缺陷，稀土掺杂体系等等

图:不同脉冲下CNOT门的抗噪效果，(b)CNOT门保真度的测量结果。

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