超導量子計算中的量子糾錯

《超導量子計算中的量子糾錯》是依託清華大學，由孫麓岩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超導量子計算中的量子糾錯
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：孫麓岩
• 項目類別：面上項目

項目摘要

基於超導的量子計算實驗在過去的十多年已經有了長足的發展,但是到目前為止還沒有實現一個通過糾錯使壽命得到延長的量子存儲。實現這樣一個由量子糾錯保護的量子存儲是目前整個量子計算領域最急需解決的關鍵問題之一。能夠克服量子退相干影響的量子糾錯也是實現大規模量子計算必不可少的要求。最近一個基於微波諧振腔中薛丁格貓態的量子糾錯方案引起了人們的關注。該方案利用了諧振子本身即具有無限維Hilbert空間的特點來對冗餘量子信息進行編碼而不會增加錯誤症狀的個數，同時又利用了微波諧振腔優異的相干性能，因此極大簡化了對硬體的要求。電路腔量子電動力學的快速發展大大提高了該量子糾錯方案的可行性。根據已發表的理論工作，我們計畫在實驗上實現一個由該量子糾錯方案保護的量子存儲，並在此量子存儲基礎上實現一組通用量子邏輯門操作。我們實驗的實現將會為邏輯比特層面上的量子計算打下一個堅實的基礎，進而大大推進超導量子計算的進展。

結題摘要

三維微波諧振腔具有無限維Hilbert空間，其光子相干時間可以達到毫秒量級，遠遠超過最好的超導量子比特的相干時間，同時這個微波系統中最主要的退相干通道為光子丟失，因此原則上只有一個錯誤症狀需要跟蹤。基於以上原因，利用微波諧振腔中微波光子作為載體來進行量子信息處理具有非常好的套用前景。這裡我們選擇微波光子二項式疊加態作為邏輯比特進行量子信息處理。我們自主開發了可程式邏輯門陣列的控制程式，實現了快速實時量子反饋技術。在此基礎上，我們實現了對單個邏輯比特的編碼與解碼；實現了對單個邏輯比特高保真度通用量子門操作，平均門操作保真度為97.0%；利用快速實時量子反饋技術，我們首次實現了對這個邏輯比特的量子糾錯，其相干時間相比於沒有量子糾錯時提高了2.8倍；首次實現了在量子糾錯保護下的邏輯比特上的量子操作，並演示了Ramsey干涉實驗，將其相干時間提高了2倍。我們的實驗是實現基於波色子編碼的可容錯量子計算非常重要的一步。利用我們發展的量子反饋技術，我們還實現了單個量子比特任意量子信道的生成，可以確定性的模擬任意物理環境中量子態的演化或製備任意量子態，在量子計算和量子模擬中具有重要意義和廣泛套用前景；我們還將經典機器學習中的生成對抗網路（generative adversarial network）套用到了超導量子電路中，實現了首個量子版本的生成對抗網路，展示了從量子數據集中學習有用信息的可行性。