成果1

郑州大学研究人员在量子计算领域取得重要研究进展

近日，郑州大学物理学院量子计算与量子模拟课题组完成了基于金刚石硅空位的量子计算的研究工作，成果以《Quantum computation in silicon-vacancy centers based on nonadiabatic geometric gates protected by dynamical decoupling》为题，于2024年7月24日发表于《Physical Review Applied》。

金刚石除了人们熟知的装饰宝石、工业钻探切割等用途外，还以其光学高透明度及其光活性色心而在量子科技中受到青睐。金刚石硅空穴（Silicon Vacancy, SiV）色心即为其中一种具备优秀光学性质的色心。

在量子计算研究领域，SiV色心由于其线宽窄，D_3d对称性结构，以及其能级跃迁受声子影响相对较小，表现为其荧光发射的70%以上集中于其零声子线738 nm的特性，可与声波导耦合来实现通用的量子计算。

     

实现通用的量子计算通常需要通用的单比特门和非平庸的两比特门，单比特门可以通过驱动单个SiV色心实现，非平庸的两比特门可以通过声波导耦合两个SiV色心来实现。但是在实现量子门的过程中，控制脉冲的波动以及外部环境的影响会严重影响门的保真度。

对于控制脉冲的波动，非绝热几何量子计算的方案可以大大提高门对控制误差的鲁棒性。非绝热几何量子计算利用了基于几何相位仅依赖于演化的全局特征而不受演化细节的影响，以及不需要满足绝热条件，演化速度可以大大加快的特性，使得其在量子门实现过程中对控制误差的波动不敏感。

研究人员对比了使用非绝热几何量子计算方案（红色实线）和动力学方案（蓝色虚线）实现的相位门和Hadamard门随控制误差波动的保真度（图2）。数值模拟结果表明非绝热几何量子门在抵抗控制误差波动方面显示出了优异的鲁棒性。    

而对于环境对量子系统的影响，动力学解耦（DD）脉冲是一个减少由环境引起的非保真度的有效方法。研究者们通过引入CDD脉冲（图3所示）和PDD脉冲来尽可能消除环境对量子系统的影响，来提高量子门的保真度。    

数值模拟结果表明，在加入CDD脉冲后，门的保真度明显提升，如图4所示，并且，随着解耦脉的数目的增加，保真度越来越高。

该工作为在固态系统中实现量子计算提供了一个有吸引力的选择。

审稿人评价该文章“The paper proposes one- and two-qubit geometric gates in silicon-vacancy (SiV) centers, with additional protection given by dynamical decoupling to improve the gate robustness. These gates are shown to exhibit excellent error resilience and are thus a potentially useful contribution to robust quantum computation.”

郑州大学物理学院（中原之光实验室）为该工作的第一完成单位，博士研究生云梦茹为该工作的第一作者，吴金雷副研究员、苏石磊副教授、贾瑜教授和单崇新教授为该工作的共同通讯作者。

该工作受到了国家自然科学基金、河南省重大科技专项、河南省自然科学基金的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.21.064053

成果2

郑州大学量子信息与冷原子物理研究团队实现了超稳健的高效Rydberg Deutsch门的研究工作。

郑州大学量子信息与冷原子物理研究团队宣布了一项研究成果，该成果以《PHYSICAL REVIEW RESEARCH》期刊上的论文《High-efficiency realization of the super-robust Rydberg Deutsch gate》为题发表，标志着团队在量子逻辑门设计上的新进展。这一成果不仅提升了量子计算的效率与保真度，更为实现容错量子计算提供了新的可能路径。

Deutsch门作为一种三量子比特逻辑门，是构建任意可行量子计算的核心构件之一，其高效性与稳健性对于提升量子计算的整体性能至关重要。该研究利用中性原子的Rydberg阻塞效应，通过优化控制技术，设计了一套包含三个步骤的高效实施方案。该方案通过对Deutsch门参数β的精确调控，使其能在0到π之间任意取值，从而扩展了逻辑门的应用灵活性。

                           

此外，团队还针对相邻原子间的残余阻塞效应进行了深入分析，其数值模拟结果与解析值十分吻合，有效解决了影响Deutsch门性能的关键因素。研究团队通过基于全哈密顿量的主方程数值模拟，验证了所提方案的高保真度。此外，团队展示了该方案在控制误差存在时的鲁棒性，这对于实际应用中不可避免的误差环境尤为重要。这一发现为构建大规模、高可靠性的量子计算网络提供了有力的技术支持。

全文链接：DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023231

                           

成果3

《Physical Review A》：在里德堡原子中快速实现高保真和乐量子门

近日，我院2021级硕士研究生宋佩瑶经由陈刚教授团队的青年教师指导，在量子信息方面取得进展，相关成果以第一作者发表于国际物理类重要期刊Physical Review A 109.022613 (2024)。论文通讯作者为我院徐鹏研究员、苏石磊副教授、陈刚教授，郑州大学物理学院为该论文第一单位。

里德堡原子由于寿命长且原子间具有强长程相互作用的特点，成为备受青睐的实现量子计算的物理平台之一。而对于一个量子系统，由于其不可避免地受到环境影响，会导致量子门保真度下降且对控制误差敏感。因此在bloch球面上实现量子态更短的演化路径，缩短量子门的演化时间，从而减小各种退相干噪声对体系的影响是至关重要的。非绝热和乐量子计算（NHQC）自提出以来就受到了人们的广泛关注，但其操作过程中需要满足严格的限制条件，这导致方案演化路径较长从而影响了门保真度。因此我们在里德堡原子中提出了一种基于时间优化控制的两比特最速降线和乐量子门方案，示意图如图1所示。

                                                       

图1两比特里德堡原子三步实现和乐量子门的示意图。

该方案在bloch球面上可用最短路径实现态的循环演化，并解析的计算出该路径对应的最短演化时间，进一步提高了方案的鲁棒性，其中C-T门和C-H的平均保真度分别可达到0.9976和0.9962。与传统方案相比，我们的方案对于拉比频率误差和失谐误差具有明显优势，此方案是可拓展的并适用于其他实验平台，如金刚石NV色心等。

                           

图2 C-T门(a)和C-H门(b)在Bloch球面上的几何示意图。红色为时间优化方案，黑色为传统的NHQC方案。

                             

图3基于三种不同方案的两比特受控门鲁棒性对比。其中(a) (c)分别为C-T门和C-H门在不同方案下拉比频率误差鲁棒性对比，(b) (d)分别为C-T门和C-H在不同方案下失谐误差鲁棒性对比。

文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.109.022613

该工作得到了中国国家自然科学基金、河南省重大科技专项和河南省自然科学基金的支持。

成果4

《Physical Review A》：超导线路中一步实现非绝热几何fSim门

近日，我院量子信息与量子模拟团队在非绝热几何量子计算方面取得重要进展：相关研究成果以“One-step implementation of a nonadiabatic geometric fSim gate in superconducting circuits”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，我院博士研究生云梦茹为第一作者。

fSim门作为CZ门与iSWAP门的结合门，在经典计算机上模拟成本很高，是Google悬铃木芯片中实现量子霸权的首选门操作[Nature 574, 505–510 (2019)]，也是超导量子比特仿真模拟可行性的一个指标性门。由于CZ门和iSWAP门实现所需的频率条件不同，实现fSim门都是通过两步来实现的。并且，在量子门的实现过程中，控制参数波动和由环境引起的退相干会导致门的保真度降低。一步实现对这些因素具有鲁棒性的fSim门仍然是一个未解决的问题。文章中提出了在可调超导电路中一步实现由非绝热和乐CZ门和非绝热非循环几何iSWAP门组成的非绝热几何fSim门。与传统方案相比，该方案只需要一半的时间，对环境噪声导致的退相干不敏感，并且几何相位只依赖于演化的整体特征而不依赖于演化细节，一步非绝热几何fSim具有对控制误差波动有天然的鲁棒性。数值模拟结果证明了我们的结论。此外，该方案不需要复杂的控制，因此在实验中非常容易实现，并且可以在各种电路结构中实现。该方案可能为量子计算和模拟提供一条有力的候选。

该工作得到了国家自然科学基金、河南省重大科技专项的支持。

全文链接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.110.022608

                                                 

图   1   （a）超导回路示意图。（b）每个比特的能级结构。

成果5

《Physical Review A》：在光力晶格中以绝热捷径加速拓扑量子态传输

近日，我院量子信息与量子模拟团队在快速拓扑量子态转移方面取得重要进展：相关研究成果以“Shortcut engineering for accelerating topological quantum state transfers in optomechanical lattices”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22级硕士研究生郭晋康为第一作者，通讯作者为我院吴金雷副研究员和苏石磊副教授。

该文章首先研究了在由五个格点组成的小型光力晶格中实现绝热拓扑量子态传输的反向透热方案。展示了通过使用完整或部分反向透热项，可以实现完美的量子态传输，并将量子态传输持续时间减少到绝热演化的十分之一。为了规避反向透热方案中的次近邻耦合，文中还提出了一种通过引入大失谐来消除振子模式的无跃迁量子驱动方案。

                           

图一：不同的绝热捷径方案所包含的光力晶格的耦合结构。

                               

图二：优化耦合参数应用到大规模光力晶格后的保真度和演化时间对比。

研究还发现，所有绝热捷径方案在很大程度上保持了拓扑量子态传输对无序的鲁棒性，更重要的是，由于持续时间大大缩短，绝热捷径方案在考虑光力晶格衰减时可以保证更高的量子态传输的效率。最后，文中扩展了光力晶格的规模，并提出了一种更通用的方法，通过设计最优耦合参数来加速绝热拓扑量子态传输，这可以显著缩短量子态传输时间。

该研究成果得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及吉林省教育厅科技项目的支持。

全文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.110.043510