Nature Communications更新 | 通過遍歷雙玻色子階梯增強(qiáng)基于量子比特的量子處理器

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
6 o0 @8 {, P# g2 X( D: B近年來，量子計(jì)算取得了顯著進(jìn)展，超導(dǎo)線路成為實(shí)現(xiàn)量子處理器有前途的平臺(tái)。雖然目前大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)依賴于兩能級(jí)量子比特（qubit），但對(duì)探索高維量子系統(tǒng)（qudit）的興趣日益增長(zhǎng)。本文將探討Nguyen等人在基于量子比特的量子處理器方面的最新進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注他們開創(chuàng)性工作中展示的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用[1]。
量子比特的優(yōu)勢(shì)量子比特是具有兩個(gè)以上能級(jí)的量子系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的量子比特具有以下優(yōu)勢(shì)：
) F. ^7 k3 v1 h

信息容量增加：量子比特可以編碼更多的信息，可能減少?gòu)?fù)雜量子計(jì)算所需的物理元件數(shù)量。

簡(jiǎn)化量子線路：某些算法使用量子比特可以更有效地實(shí)現(xiàn)，從而減少線路深度并提高性能。

增強(qiáng)糾錯(cuò)能力：基于量子比特的糾錯(cuò)碼可能提供更好的抗噪聲和退相干保護(hù)。

更豐富的量子動(dòng)力學(xué)：量子比特中的額外能級(jí)允許更多樣化的量子操作和狀態(tài)。

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9 `7 Z: R! S. I% ~! m- t圖1：基于量子比特的量子處理器示意圖。量子比特被描繪成非循環(huán)齒輪，可以單獨(dú)控制或使用雙光子驅(qū)動(dòng)同時(shí)旋轉(zhuǎn)。

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% p8 |7 V2 d, U0 A5 e. b實(shí)驗(yàn)設(shè)置
+ |* I# ?, ~. K* Z5 d1 b! e研究人員使用超導(dǎo)線路實(shí)現(xiàn)了基于量子比特的量子處理器。每個(gè)量子比特由一個(gè)約瑟夫森結(jié)和一個(gè)大電容并聯(lián)構(gòu)成，形成一個(gè)非線性諧振子，在其勢(shì)阱中有多個(gè)能級(jí)。量子比特通過電容耦合形成陣列，每個(gè)元件都有獨(dú)立的控制和讀出線路。
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* x2 e- w9 ^  i2 q2 p主要實(shí)驗(yàn)特征包括：

局部控制：每個(gè)量子比特可以使用微波驅(qū)動(dòng)獨(dú)立操控。

讀出：色散耦合諧振器允許高保真度的狀態(tài)測(cè)量。

雙光子相互作用：一種在量子比特之間誘導(dǎo)糾纏的新技術(shù)。

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( r8 N0 s( d; o8 B圖2：實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（上）拉比振蕩和（下）不同維度d的單量子比特門的隨機(jī)化基準(zhǔn)測(cè)試。
% E$ [8 T' `' p3 q' N2 M7 Z; g. [
, @% p. k3 s# ?% n' ]+ u# p雙光子相互作用
這項(xiàng)工作的基石是開發(fā)了在量子比特之間誘導(dǎo)雙光子相互作用的穩(wěn)健方法。這個(gè)過程允許創(chuàng)建糾纏和實(shí)現(xiàn)多量子比特門。該過程的關(guān)鍵步驟是：
  k% X, x: Y! I3 S( M! S# y

對(duì)兩個(gè)量子比特施加單色微波驅(qū)動(dòng)。

虛激發(fā)中間態(tài)。

在特定的雙粒子態(tài)之間進(jìn)行相干布居轉(zhuǎn)移。

研究人員展示了誘導(dǎo)各種量子比特態(tài)之間的躍遷的能力，如|00? ? |11?和|11? ? |22?。


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; Q, K6 B" P& e1 T. W- L. A圖3：顯示兩個(gè)耦合量子比特之間的相干|00? ? |11?布居交換的雪佛龍圖案，作為驅(qū)動(dòng)頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。

多量子比特門
利用雙光子相互作用，研究人員使用量子三元系統(tǒng)（三能級(jí)系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了新穎的多量子比特門。他們展示了：

保真度為96.0%的三量子比特受控受控-Z（CCZ）門。

真值表保真度為92%的四量子比特受控受控受控-Z（CCCZ）門。

這些門利用量子比特的高能級(jí)進(jìn)行臨時(shí)狀態(tài)存儲(chǔ)，與傳統(tǒng)的基于量子比特的線路相比，實(shí)現(xiàn)更加高效。

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4 I( r! Q" u8 O. M圖4：使用基于量子比特的操作實(shí)現(xiàn)（左）CCZ和（右）CCCZ門的門序列。

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- b; E2 R( }1 T: X高維糾纏
( }# K! v: \  h: V' e研究人員通過創(chuàng)建各種高維糾纏態(tài)展示了其量子比特系統(tǒng)的能力：
$ s9 b2 z, @! K+ i

貝爾態(tài)：維度d = 2、3和4的兩量子比特糾纏態(tài)。

NOON態(tài)：形如(|N0? + |0N?)/√2的疊加態(tài)，對(duì)量子計(jì)量學(xué)有用。

原子薛定諤貓態(tài)：宏觀上不同的量子態(tài)的疊加。

1 S) l! |/ D+ D7 b- Y* ?2 s' K這些態(tài)通過量子態(tài)層析表征，并使用各種準(zhǔn)概率分布進(jìn)行可視化。

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+ _" A% f+ I. R1 U3 c5 x圖5：（a）d=2、（b）d=3和（c）d=4量子比特的貝爾態(tài)密度矩陣，展示了高維中的高保真度糾纏。

9 X% q. y8 i2 n' y7 j0 \
圖6：（左）兩個(gè)量子比特和（右）三個(gè)量子比特的高維原子貓態(tài)的維格納函數(shù)，顯示了特征干涉條紋。
! m# W& l. W% _! D7 `- P

" q" n" V9 c6 \# K% |- z糾纏分配
/ W) D# z+ j; v& }) n研究人員展示了使用雙光子相互作用在量子比特陣列中分配糾纏的能力。他們展示了：
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在非相鄰量子比特之間傳輸貝爾態(tài)。

創(chuàng)建多量子比特GHZ態(tài)。
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2 t3 n6 E4 U, W; @8 E0 E" i1 d0 D這種能力對(duì)于在大規(guī)模量子處理器中實(shí)現(xiàn)量子算法和糾錯(cuò)碼非常重要。

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圖7：測(cè)量的布居顯示了貝爾態(tài)糾纏從（a）Q1-Q2到（b）Q1-Q3和（c）Q1-Q4的分配。
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/ a. c: X& B" w7 Q應(yīng)用和未來方向
這項(xiàng)工作中展示的基于量子比特的量子處理器為量子計(jì)算和量子信息處理開辟了幾個(gè)令人興奮的可能性：
1. 量子傳感：高維糾纏態(tài)，如NOON態(tài)，可能增強(qiáng)量子傳感器的精度。
. D) G/ h( |7 d$ ^9 ]- @2. 量子糾錯(cuò)：基于量子比特的糾錯(cuò)碼可能提供更好的抗噪聲和退相干保護(hù)。
3. 量子模擬：量子比特系統(tǒng)更豐富的希爾伯特空間可能允許更有效地模擬復(fù)雜量子系統(tǒng)，如化學(xué)和材料科學(xué)中的系統(tǒng)。
4. 量子通信：高維量子態(tài)可能增加量子通信信道的信息容量。
5. 容錯(cuò)量子計(jì)算：新型基于量子比特的架構(gòu)，如使用自旋貓編碼的架構(gòu)，可能為可擴(kuò)展的、糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)提供更有效的路徑。
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% s  g& k- o* G挑戰(zhàn)和展望
+ n) X+ u; R: ]& O" z6 x$ m在實(shí)現(xiàn)基于量子比特的量子處理器的全部潛力方面仍然存在幾個(gè)挑戰(zhàn)：
1. 退相干：量子比特中的高能級(jí)通常更容易受到噪聲和退相干的影響。提高這些能級(jí)的相干時(shí)間是關(guān)鍵。
& h# P, U# ?: R/ R7 b- L  r2. 控制復(fù)雜性：隨著量子比特維度的增加，準(zhǔn)確操縱所需的控制脈沖的復(fù)雜性也隨之增加。
) h' Q' v* E  M; D. X9 o3. 可擴(kuò)展性：在更大的量子比特陣列上展示這些技術(shù)對(duì)于證明其在實(shí)際量子計(jì)算中的可行性是必要的。
4. 算法開發(fā)：需要開發(fā)充分利用量子比特結(jié)構(gòu)的新量子算法，以展示這種方法的優(yōu)勢(shì)。
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- V3 N* h$ b$ q& A0 w$ }' ]結(jié)論
) e5 j$ D' [. z% T% R5 U9 oNguyen等人的工作代表了基于超導(dǎo)線路的高維量子處理器發(fā)展的重要一步。通過利用量子比特的能力并開發(fā)新的雙光子相互作用技術(shù)，他們展示了多功能平臺(tái)，用于探索超越傳統(tǒng)量子比特范式的量子信息處理。隨著這一領(lǐng)域研究的繼續(xù)推進(jìn)，可以期待在量子比特控制、相干性和可擴(kuò)展性方面取得進(jìn)一步的改進(jìn)，可能導(dǎo)致未來更強(qiáng)大和更高效的量子計(jì)算機(jī)。
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0 ?8 A0 C' N, c* ^8 J( @9 [
+ {$ I* @2 d( E- Y0 e+ j參考文獻(xiàn)
+ |+ y$ o! C2 |8 a/ P- Y[1] L. B. Nguyen et al., "Empowering a qudit-based quantum processor by traversing the dual bosonic ladder," Nature Communications, vol. 15, no. 1, p. 7117, Aug. 2024, doi: 10.1038/s41467-024-51434-2.

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