在固态体系首次实现高保真度量子受控非门

记者30日从中国科学技术大学获悉，该校中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展等人，基于金刚石氮—空位(NV)色心量子比特实现了保真度99.92%的量子CNOT门(量子受控非门)。该项研究成果日前发表在《物理评论快报》上。

可实用的大规模量子计算要求门保真度至少达到99.9%，此前仅离子阱体系实现了保真度约为99.9%的两比特门。固态体系由于受到更为嘈杂的固态环境的干扰，实现超过99.9%保真度的两比特门是一项艰巨的挑战。

理论上，通过量子纠错过程，只要在物理比特上实现错误低于容错阈值的量子门，就可以在逻辑比特上获得错误更小的量子门。类似地，通过动力学纠错，如果环境噪声的非马尔科夫性能被充分利用，物理比特上的门错误可以在多个操控脉冲之间相互抵消。

研究团队通过对噪声的细致测量，建立了一个准确且完整的噪声模型，其中包括静态噪声、含时噪声以及量子噪声。基于动力学纠错的思想，研究人员对形状脉冲进行了精巧的设计，使其能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的负4次方以下。实验中，研究人员测得形状脉冲实现的CNOT门保真度为99.920%，并分析得知，剩余错误主要来自形状脉冲的失真以及电子自旋的纵向弛豫。这二者皆可在技术上被进一步消除，因此未来有望将CNOT门保真度进一步提高到99.99%以上。

该研究给出的方法是通用的，可进一步推广至其他固态体系，如硅量子点、金刚石和碳化硅中的其他缺陷、稀土掺杂系统等。