《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。