超导线路量子电动力学系统中的多体量子操控

Quantum computation based on superconducting circuit quantum electrodynamics has experienced a tremendous progress in the last few decades. Both superconducting qubits and microwave photonic qubits in 3-dimensional microwave storage cavities can be used to perform quantum information processing. In particular, microwave photonic qubit can also be used to realize a quantum memory due to its long coherence lifetime. When coupling the superconducting qubits and quantum memories together to form a hybrid multi-body quantum system, a quantum network will be realized with the modular approach and finally we will build a general scalable quantum computer. Implementing efficient quantum control on the hybrid quantum system of multiple superconducting qubits and microwave photonic qubits is an important research topic. Based on recent theoretical schemes, we plan to first realize multi-body quantum gates on the hybrid coupling system, and then implement entanglement operations on the discrete and continuous variable photonic states in the microwave storage cavities. Besides, we plan to realize entanglement between the error-correctable logical qubits encoded with the microwave cavity states and the physical superconducting qubits, and then implement quantum information transfer between different logical qubits and physical qubits. The realization of the proposed experiments will lay an important foundation for the scalable modular quantum computer in the future, and thus greatly promote the development of superconducting quantum computation.

基于超导线路量子电动力学系统的量子计算实验研究在过去的十多年获得了巨大的发展。其中超导量子比特与三维微波存储腔中的微波光子比特都可以用来进行量子信息的处理。微波光子比特由于其较长的量子相干寿命也可以用来进行量子存储。将多个超导比特与量子存储耦合形成杂化的多体量子系统，进而就可以采用模块化的方式组成量子网络，最终实现一个可扩展的通用量子计算机。对多个超导比特与微波存储腔耦合的多体系统进行高效的量子操控是目前一个重要的研究热点。依据现有的理论方案，我们计划在超导线路系统中实现多体的量子操控，进而在多个微波存储腔中实现离散和连续变量的微波光场态之间的纠缠。此外，我们可以进一步将多个微波光场态编码的可纠错的逻辑比特与物理的超导比特纠缠起来，实现量子信息在不同种类逻辑比特与物理比特之间的传递和交换。这些实验的实现将为未来实现可扩展的模块化量子计算机奠定重要的基础，进而极大地推动超导量子计算的发展。

超导线路量子电动力学系统在最近几年已逐步发展成为当前最有可能实现通用量子计算的硬件平台之一。对该系统中的两个核心组成部分超导量子比特和微波谐振腔的高精度多体量子控制是当前这一领域的关键和核心。其中，对多个超导量子比特的纠缠量子控制仍然面临到一系列重要的实验挑战，包括比特间的串扰问题、控制波形失真问题以及扩展复杂性问题等。另外一方面，对谐振腔中编码的微波光子比特的高保真度量子控制受到谐振腔弱非线性的限制，从而阻碍了其在量子纠错等方向的进一步发展。在本项目中，我们结合了超导量子比特与微波谐振腔的特点，首先开发了具有高相干性能的超导量子比特与微波谐振腔构成的多体线路量子电动力学系统，实现超导量子比特的相干时间达到100微秒左右，微波谐振腔中单光子的相干寿命达到1毫秒左右。在此基础上，我们首先提出和实现了一种全新的超导量子比特耦合架构，该方案可以实现在不牺牲扩展性的前提下提高两比特纠缠量子门的操控精度，我们最终实现了两比特门的控制精度达到99.5%左右，达到国际领先水平。此外，我们更进一步在多个超导比特与微波谐振腔耦合的多体杂化线路量子电动力学系统中，利用微波谐振腔中连续变量量子态的量子控制实现对离散变量的超导比特的多体量子控制，最终实现完全消除比特间的纵场串扰，降低错误率。我们同时也实现了超导量子比特与微波谐振腔中的光子比特之间的两比特纠缠量子门操控，并展示了该方法对控制误差的鲁棒性。基于对线路量子电动力学系统的多体量子控制，我们进一步展示了在该系统中利用谐振腔中的多能级系统编码实现量子纠错，延长了量子信息的存储时间，为可扩展容错量子信息处理的进一步发展奠定重要基础。整体而言，本项目在超导线路量子电动力学系统中开发了一系列多体量子控制技术，完成了计划书/申请书中的主要研究内容和研究目标。