[论文解读] Experimental implementation of universal holonomic quantum computation on solid-state spins with optimal control

Dong Yang, Shao-Chun Zhang+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 61被引用 29

一句话总结

该论文在室温下利用金刚石中的氮-vacancy (NV) 中心，在固态自旋系统中实现了高保真度、通用的阿贝利安量子门。通过采用优化的非绝热几何量子计算（NHQC+）方案并结合定制化的微波脉冲整形，作者实现了对控制误差和退相干具有鲁棒性的单量子比特与双量子比特门，标志着迈向容错几何量子计算的关键进展。

ABSTRACT

Experimental realization of a universal set of quantum logic gates with high-fidelity is critical to quantum information processing, which is always challenging by inevitable interaction between the quantum system and environment. Geometric quantum computation is noise immune, and thus offers a robust way to enhance the control fidelity. Here, we experimentally implement the recently proposed extensible nonadiabatic holonomic quantum computation with solid spins in diamond at room-temperature, which maintains both flexibility and resilience against decoherence and system control errors. Compared with previous geometric method, the fidelities of a universal set of holonomic single-qubit and two-qubit quantum logic gates are improved in experiment. Therefore, this work makes an important step towards fault-tolerant scalable geometric quantum computation in realistic systems.

研究动机与目标

• 在真实条件下，于固态自旋系统中实现高保真度的通用量子逻辑门。
• 克服绝热几何量子计算的局限性，如门操作时间过长以及对退相干敏感的问题。
• 实现并实验验证最近提出的基于最优控制的非绝热几何量子计算（NHQC+）方案，适用于单量子比特与双量子比特门。
• 在可扩展、室温运行的平台上，展示对控制参数波动和系统退相干的鲁棒性。

提出的方法

• NHQC+方案在金刚石NV中心的电子自旋与核自旋系统中实现，其中电子自旋（S=1）作为量子比特，氮核自旋（I=1）作为控制辅助比特。
• 采用时间依赖振幅与相位的微波脉冲，驱动辅助态 |a⟩ 与量子比特态 |0⟩ 和 |1⟩ 之间的跃迁，形成明亮态 |b⟩。
• 通过在布洛赫球面上围成一个立体角的单回路演化路径诱导几何相位，相位演化由冯·诺依曼方程及 β 与 ϕ 的耦合微分方程控制。
• 通过使用 f = η(2β − sin(2β)) 的脉冲包络形状，并设定 ϕ(t = 0) = 0，ϕ(τ/2) = γG，选择 η = 0.4 以最小化误差敏感性，实现最优控制。
• 在双量子比特门操作期间采用动力学解耦技术，以抑制退相干，特别是保护寿命更长的核自旋。
• 采用最大似然估计的量子过程层析成像（QPT）技术，重构并验证所实现门的保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下于固态自旋系统中实验实现高保真度且对控制误差具有鲁棒性的通用几何量子门？
• RQ2 在存在真实控制非理想性的情况下，NHQC+方案相较于传统非绝热几何方案在门保真度方面有何提升？
• RQ3 在非绝热几何门中，何种最优脉冲形状与控制参数（如 η）能够在门速度、误差鲁棒性与退相干抑制之间实现最佳平衡？
• RQ4 尽管存在复杂的能级结构与控制挑战，能否在固态系统中实现高保真度的双量子比特几何门？
• RQ5 在实验环境中，最优控制在多大程度上增强了几何门对幅度波动的鲁棒性？

主要发现

• 实验实现了几何X门 97.2% 的过程保真度与X/2门 96.8% 的过程保真度，显著优于传统NHQC方法。
• NHQC+方案对控制幅度误差表现出鲁棒性，即使在10%幅度偏差下，保真度仍高于95%。
• 最优控制参数 η = 0.4 被确定为可最小化系统误差敏感性，同时保持短门持续时间（τ ≈ 200 ns），在速度与保真度之间实现良好平衡。
• 通过动力学解耦技术成功实现了双量子比特几何门，尽管电子自旋相干时间较短，仍实现了高保真度。
• 量子过程层析成像结果表明，经最大似然估计后重构的过程矩阵为正定，验证了门操作的正确性。
• 结果表明，通过NHQC+实现的几何量子计算是通往在真实、室温固态系统中实现容错、可扩展量子信息处理的可行路径。