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