超导量子比特操控和主动复位

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在过去的几十年里,电路量子电动力学(c QED)作为一种可能实现量子信息处理(QIP)的方案引起了广泛的关注。通过将量子比特与谐振腔进行耦合,可以实现对比特的非破坏性测量。由于比特没有直接与环境进行耦合,退相干时间和门操作保真度相对之前的超导量子比特而言有了很大的提高。近年来,人们利用超导量子计算机在解决特定的问题上超越了经典计算机(随机波色采样),实现了量子霸权。谷歌、IBM、华为等大公司以及各国政府和研究机构在量子计算中投入了大量的资金,并取得了很多进展,有望在未来实现大规模量子计算。本论文报告了我在量子计算测量和主动复位(reset)方面的相关工作。超导量子比特在量子计算研究中具有核心地位,经过人们的不懈努力,单比特逻辑门的保真度早已达到了99.9%。近两年,多个组提出了不同的方案实现两比特逻辑门操作保真度大于99.6%。此时量子比特门的保真度主要受到退相干时间的限制,为实现量子纠错打下了基础。以表面码为代表的纠错算法,基于辅助比特进行宇称测量,当量子电路中产生错误时奇偶性发生变化,从而被人们探测到。这种算法要求辅助比特可以频繁的初始化,这就对主动复位提出了要求。现有的主动复位方案,包括如反馈、微波驱动、频率失谐等,都需要引入额外的电子设备(FPGA)或量子电路(谐振腔),从而给实验操作和样品制备带来挑战。我们提出了一种新的主动复位方法,通过辅助比特来实现快速的初始化。目前,初始化的效率主要受限于SWAP门操作的保真度,和其他方案相比还有差距。但是该方案完全基于现有的实验手段,随着门操作保真度的进一步提高,有很大的进步空间。此外,由于不存在额外的耗散通道,量子比特的退相干性能不会受到低品质腔的影响而降低。我们的方案可以更快的将比特复位到基态,同时能够实现量子冷却,对于保持量子比特相干性以及高保真度操控有重要的意义。我们在实验上对该方案进行了验证,证明了其具有将量子比特快速初始化的能力。这个方案简单快速,对实验仪器要求不高,很容易大规模扩展,在未来的量子计算机上一定会有用武之地。
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