超导量子计算中的量子纠错

Quantum information processing based on superconducting qubits has made tremendous progress toward realizing a practical quantum computer in the past decade. However, no quantum memory with an extended lifetime has ever been demonstrated. To realize such a quantum memory protected by quantum error correction (QEC) is considered to be one of the most urgent goals for the whole field of quantum computation. Because of the fragile nature of quantum information, QEC is required for fault-tolerant quantum computation. In a recent proposal, quantum information is encoded in Schrodinger cat states in a microwave cavity which can be QEC protected. This scheme benefits from the infinite dimensional Hilbert space of a harmonic oscillator for redundant information encoding, only one single error syndrome to track, and long coherence times of the microwave cavity, thus greatly reducing the requirements on hardware. The fast development of circuit quantum electrodynamics has put a realization of this QEC scheme within the reach of current technology. In this proposal, we plan to first realize such a QEC protected quantum memory experimentally, and then extend this quantum memory further to achieve logical operations on the quantum memories. Our experimental efforts will be based on published theoretical work. To achieve these goals, we need to solve problems related to the imperfections during the QEC process such as the ancillary qubit decoherence and the deterministic decay of the Schrodinger cat states. The achievement of the proposed experiment will pave the way towards operations and algorithms on logical qubits and thus greatly move quantum computation based on superconducting qubits forward.

基于超导的量子计算实验在过去的十多年已经有了长足的发展,但是到目前为止还没有实现一个通过纠错使寿命得到延长的量子存储。实现这样一个由量子纠错保护的量子存储是目前整个量子计算领域最急需解决的关键问题之一。能够克服量子退相干影响的量子纠错也是实现大规模量子计算必不可少的要求。最近一个基于微波谐振腔中薛定谔猫态的量子纠错方案引起了人们的关注。该方案利用了谐振子本身即具有无限维Hilbert空间的特点来对冗余量子信息进行编码而不会增加错误症状的个数，同时又利用了微波谐振腔优异的相干性能，因此极大简化了对硬件的要求。电路腔量子电动力学的快速发展大大提高了该量子纠错方案的可行性。根据已发表的理论工作，我们计划在实验上实现一个由该量子纠错方案保护的量子存储，并在此量子存储基础上实现一组通用量子逻辑门操作。我们实验的实现将会为逻辑比特层面上的量子计算打下一个坚实的基础，进而大大推进超导量子计算的进展。

三维微波谐振腔具有无限维Hilbert空间，其光子相干时间可以达到毫秒量级，远远超过最好的超导量子比特的相干时间，同时这个微波系统中最主要的退相干通道为光子丢失，因此原则上只有一个错误症状需要跟踪。基于以上原因，利用微波谐振腔中微波光子作为载体来进行量子信息处理具有非常好的应用前景。这里我们选择微波光子二项式叠加态作为逻辑比特进行量子信息处理。我们自主开发了可编程逻辑门阵列的控制程序，实现了快速实时量子反馈技术。在此基础上，我们实现了对单个逻辑比特的编码与解码；实现了对单个逻辑比特高保真度通用量子门操作，平均门操作保真度为97.0%；利用快速实时量子反馈技术，我们首次实现了对这个逻辑比特的量子纠错，其相干时间相比于没有量子纠错时提高了2.8倍；首次实现了在量子纠错保护下的逻辑比特上的量子操作，并演示了Ramsey干涉实验，将其相干时间提高了2倍。我们的实验是实现基于波色子编码的可容错量子计算非常重要的一步。利用我们发展的量子反馈技术，我们还实现了单个量子比特任意量子信道的生成，可以确定性的模拟任意物理环境中量子态的演化或制备任意量子态，在量子计算和量子模拟中具有重要意义和广泛应用前景；我们还将经典机器学习中的生成对抗网络（generative adversarial network）应用到了超导量子电路中，实现了首个量子版本的生成对抗网络，展示了从量子数据集中学习有用信息的可行性。