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[转载]【研究进展】杭州师范大学杨垂平课题组 | 电路QED系统中多个光量子比特控制一个目标比特的控制相位门高效实现方案

已有 1884 次阅读 2022-9-5 09:25 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

【研究进展】杭州师范大学杨垂平课题组 | 电路QED系统中多个光量子比特控制一个目标比特的控制相位门高效实现方案

RESEARCH ARTICLE

Qi-Ping Su, Yu Zhang, Liang Bin, and Chui-Ping Yang*, Efficient scheme for realizing a multiplex-controlled phase gate with photonic qubits in circuit quantum electrodynamics, Frontiers of Physics 17(5), 53505 (2022)

在量子信息领域，多比特量子门是不可或缺的，可广泛应用于量子博立叶变换、量子克隆、纠缠态制备、量子纠错等方向。多比特量子门可以分解为多个单比特门与双比特门，但一般来说所需要的单比特门与双比特门的数量随着多比特量子门中量子比特数量的增加而指数增长。因此多比特量子门的直接实现将大大减少操作复杂度与操作时间。另外，电路QED系统被认为是最有希望实现量子计算机的物理系统，具有高度的可扩展与可规模化的优点，近年来其实验技术的发展十分迅速，并被广泛用于各种量子态制备、量子算法和量子模拟的实验。

基于电路QED系统，作者提出了多个腔中的光量子比特同时控制一个光量子比特的多比特控制相位门直接实现方案。该方案的特色是所有光量子比特的两个逻辑态可以采用一个真空态和一个任意的非真空态（如Fock态、相干态、压缩态、猫态等，只需要与真空态有较好的正交性）进行编码，因此该方案具有很强的普适性。除此之外，该方案还具有以下优点：（1）仅需一个两能级超导比特即可对多个腔进行耦合，因此没有超导比特高能级的消相干；（2）只需要一步操作即可实现多比特的控制相位门，操作速度快；（3）操作时间与多比特量子门中的比特数量无关；（4）无需测量操作，因此该多比特控制相位门的实现是确定性的。该控制相位门可以用于电路QED系统中多个光量子比特Toffoli门的实现，该方案也可以应用于其它类似量子系统中多个光量子比特控制相位门或Toffoli门的实现。

为了验证该方案的可行性，作者采用具体的电路QED系统与实验参数对三比特控制相位门进行了数值模拟。模拟系统由3个腔与一个辅助超导磁通比特构成，每个光量子比特的两个逻辑态采用真空态与相干猫态编码。数值模拟研究了微波腔衰减时间、超导比特消相干时间、大失谐条件、光腔窜扰等因素对实验保真度的影响，模拟结果如下图所示。从图中可以看到，当微波腔衰减时间大于35微秒且超导比特消相干时间大于20微秒时，所实现的三比特控制相位门最佳保真度可达到96%以上。并且当大失谐条件满足得更好时，最佳保真度可以达到99%以上。