超导量子比特快速高保真度读取及在量子优越性上的应用

【摘要】：量子计算机在特定问题上展示出比经典计算机更强大的计算能力,因此受到广泛关注。随着科研技术的不断发展,寻找一个量子系统实现通用量子计算机成为一个研究热点,其中包括了光量子计算、离子阱量子计算和超导量子计算等。在过去的几年里,量子计算的物理实现取得了令人振奋的进展,其中一个重要的里程碑是成功地在超导平台上演示了量子计算优越性。超导量子体系具有高保真度的量子门操控、成熟的制备工艺和易于扩展的结构等优点,普遍认为是最有希望实现通用量子计算的方案之一。快速高保真度的读取是超导量子计算最基本的要素之一,对量子计算的近期应用和量子纠错实验研究具有重要意义。量子模拟、量子反馈和量子优越性等实验对读取的要求为:高保真度的单发测量、快速的连续读取、可以同时进行多个量子比特的测量、保持量子比特相干性以及量子非破坏性测量等。在容错量子计算中,基于表面码的纠错协议除要求数据比特和测量比特具有快速高保真度的读取外,还要求读取测量比特时不影响数据比特的相干性,前一次测量不影响后续量子门操作等。由于量子比特与外界耦合极易发生退相干,因此,通过耦合一个测量设备进行高精度的量子比特状态测量是困难的。根据超导量子比特类型的不同,有多种不同的读取方式,比较典型的有电荷测量、磁通测量、色散位移读取等。色散位移读取是在电路量子电动力学的架构上,将量子比特的状态映射到与其失谐耦合的读取谐振腔的经典响应上,具有保持量子比特相干性、可同时读取多个量子比特等优点,是目前超导量子比特普遍使用的读取方式。但色散位移读取也有缺点,量子比特通过读取腔和外界仍不可避免地存在耦合,导致无法实现快速的高保真度读取。本论文的第一个工作是利用带通滤波器实现了超导量子比特的快速高保真度读取。为了解决色散位移读取这一缺点,我们通过在读取腔和传输线之间嵌入带通滤波器,提升读取腔与外界耦合的同时降低量子比特与外界的耦合,在不影响量子比特相干时间的前提下得到更快的读取腔等效泄露速率。实验上,我们在一对多带通滤波器和一对一带通滤波器上均实现了读取时间低于400 ns,分离错误低于0.2%的快速高保真度读取。本论文的第二个工作是我们将带通滤波器应用到24比特超导量子处理器上,并模拟了量子热化现象。利用24比特处理器的梯子型结构分别模拟了 XX梯子模型和一维XX链子模型,我们通过测量局域可观测量、冯诺依曼纠缠熵以及三方互信息,观察到在XX梯子模型中发生了热化和信息置乱现象,而在一维XX链子模型中没有发生热化和信息置乱现象。量子优越性实验是在随机量子线路采样问题上演示量子计算的算力优势实验,线路保真度取决于单比特门、双比特门和读取的保真度乘积,因此,快速高保真度的读取对量子优越性的实验研究至关重要。在此之前,我们实验室在祖冲之2.0完成了 56比特20深度的随机量子线路采样实验,平均读取保真度为95.48%。本论文的第三个工作是我们在祖冲之2.1上进行的量子优越性实验,我们从设计的角度上分析了祖冲之2.0读取保真度较低的原因,并在祖冲之2.0的基础上优化设计得到了祖冲之2.1,将平均的读取保真度提高到97.74%(其中最高的读取保真度达到了 99.10%),完成了 60比特24深度的随机量子线路采样实验,线路最终保真度为(0.037±0.003)%。采用最先进的经典算法在超级计算机Summit上模拟该随机量子线路要花费4.8 × 104年,在祖冲之2.1处理器上完成采样仅需4.2小时。该线路的经典模拟复杂度比谷歌悬铃木量子优越性线路高6个数量级,比祖冲之2.0量子优越性线路难5千倍。祖冲之2.1读取保真度的提升,使我们在量子随机线路采样问题上进一步增强了量子计算的算力优势。