近日，量子信息与量子模拟团队在抑制退相干的复合相量子计算方面取得新进展：提出了一种基于“捕获-释放”动力学的量子计算方案（CRQC），该方案能够有效抑制量子退相干，显著提高量子门的保真度和鲁棒性。相关研究成果以“Quantum computation based on capture-and-release dynamics”为题，发表在国际知名物理类期刊《Physical Review A》上。郑州大学为第一单位，我院硕士研究生张思宇为第一作者，通讯作者为闫磊磊研究员、苏石磊副教授。

量子系统的退相干效应和控制场误差是实现通用量子计算的主要障碍。传统的量子计算方案，如基于非绝热演化的和乐量子计算（NHQC），需要引入额外的激发态辅助能级，容易受到激发态的耗散和退相的影响。为此，我们提出了一种新的量子计算方案，利用“捕获-释放”动力学来抑制激发态的布居数，从而减少退相干的影响。

图1：(a)金刚石NV色心能级图。(b)基态复平面中“捕获-释放”动力学过程。(c)非平庸两比特门：通过两个粒子与同一个腔耦合示意图。

该方案的核心思想是通过捕获和释放量子系统的能量本征态，在基态上积累一个复杂的相位，从而实现对量子态的精确控制。本征态的捕获和释放通过改变系统的失谐大小来实现。以图1(b)的红色虚线为例，当量子态首次演化至弧顶处（此时演化方向与圆盘边缘平行）时，通过降低失谐令演化态变为系统的本征态，量子态将在本征态上积累一个动力学相位，恢复失谐初值，量子态则可以再次返回初态。整个循环演化过程结束后，会在基态上积累一个复合相Υ。我们在三能级Λ型系统中，成功实现了任意单量子比特门和非平凡的双量子比特门。此外，我们还结合量子芝诺动力学过程，进一步提升了双量子比特门的性能，使其对量子比特的退相干和腔耗散不敏感。

为了验证该方案的可行性，我们以金刚石中的氮空位（NV）中心为例，进行了详细的数值模拟。结果表明，与传统的非绝热非阿贝尔几何量子门相比，CRQC方案在保真度和抑制退相干效应上均有显著提升。特别是在大失谐条件下，激发态的布居数被有效抑制，量子门的保真度高达99.91%，并且对于激发态耗散和退相不敏感,如图2。此外，该方案对外部场的频率漂移误差也表现出较强的鲁棒性。

图2：CRQC方案（采用不同的失谐标量k值）与传统的NHQC方案构建的H门（上排）和S门（下排）的保真度，(a, b) 是关于时间的函数，(c, d) 是耗散误差的函数，以及 (e, f) 是退相误差的函数。

我们还探讨了该方案在光学腔中的双量子比特门实现，如图1(c)。通过量子芝诺动力学过程，我们进一步提高了两量子比特门的性能。在大失谐存在的情况下，由于光子的虚激发，使得该方案对腔耗散通用不敏感，具体数值结果可见图3。该方案适用于多种物理系统，如超导电路、囚禁离子和量子点等，不仅仅局限于NV色心系统。我们的方案为容错量子计算提供了一种新的选择方案。

图3：两量子比特门U2(π/2,0,0)（上排）和U2(π,π/2,π/2)（下排）的保真度，分别作关于退相干参数 Γ (a,b)和腔衰减率Γc(c,d)的函数图像。(e,f)展示了在同时存在退相干速率和腔衰减率下的门保真度。