多级系统中量子比特控制的新方案

使用等效模型描述多级系统演变的示意图。图片来源：周元等

由中国科学技术大学郭光灿教授领导的团队在多级量子系统可调性研究方面取得了重大进展。

郭国平教授、李海鸥教授和龚明教授与布法罗大学、纽约州立大学胡学东教授和起源量子计算有限公司合作，提出了一种新型量子门，可以通过调整驱动场的参数来实现抗噪声量子比特控制。他们的工作发表在Physical Review Apply上。

量子态操纵广泛应用于超导量子位和半导体量子点等量子系统。具有简单能级的量子系统很容易操纵，但干涉可能发生在更复杂的多能级系统中。例如，一个双量子位半导体自旋系统具有五个能级的理论模型。

在驱动这样的系统时，系统内不同的相干过程相互干扰，使得分析和控制演化过程变得困难。目前，相关研究大多局限于各种近似条件，不利于量子比特操纵的进一步发展。

为了研究驱动场对多能级系统的影响，以往的工作往往依赖于数值模拟或将多能级系统简化为两能级系统。然而，这些方法不能全面描述实验中的复杂现象。因此，找到合适的参考系（或基向量）可以大大简化问题。

在这项工作中，研究人员将航天飞机状态与所有其他能级耦合，并通过调整航天飞机状态的振幅和频率来实现任何两个能级之间的等效耦合。这是可能的，因为他们的Floquet工程的有效模型可以通过调整这些参数来实现任何所需的等效模型。

结果表明，在实验参数范围内，该方法可以在保持高控制速度的同时实现大范围的耦合。使用这种方法，研究人员理论上证明了单量子比特和双量子比特门操作，保真度超过99%。该模型甚至可以解释在实验中观察到的一些以前无法解释的新颖奇偶效应。

在这个方案中，航天飞机状态起着至关重要的作用。它不仅可以在任何两个能级之间实现有效耦合，还可以作为一种测量手段。研究人员可以通过测量航天飞机态对量子态进行无损测量。

这一理论建议具有重要的应用，因为本研究中讨论的多能级系统几乎存在于所有其他物理系统中，包括原子，离子和超导量子比特。

通过对方案进行适当的改进并选择合适的参数，可以在其他模型中实现任意门控制。这种新方案为多级系统中的量子门操作提供了新的实验见解。

更多信息：周媛等，驱动多能级系统的全可调性和量子相干动力学，物理评论应用（2023）。DOI： 10.1103/物理修订应用.19.044053