基于半导体量子器件优化脉冲的抗噪量子门研究

Semiconductor quantum-dot system is promising to realize universal quantum computation. Due to the effect of the noise, the fidelity of the system remains only about 90% which is not sufficient for the fault-tolerant quantum computation. So that, the urgent problem for this system is to suppress the noise effect to get the high-fidelity quantum gate. In this project, we are using multiple theoretical tools to improve the problem including three main contents: First, we construct the dynamically corrected gates for the two-qubit gate based on the silicon system which can reduce the local noise substantially and we perform benchmarking to find out the effective spectrum of the noise for the dynamically corrected gates. Second, we design a three-level system which is feasible in the experiment such that we are able to construct the holonomic quantum gate and then we try to optimize the scheme to enhance the performance of the holonomic quantum gate by combining dynamically corrected gates. Third, we aim to measure the noise spectrum of the semiconductor quantum-dot system. Overall, this project shall be very useful for fault-tolerant quantum computation.

半导体量子点是实现通用量子计算的有竞争力的系统之一。目前，基于半导体量子点系统的两比特量子门的操作精度只有90%左右，还达不到容错量子计算的要求，而系统噪声被认为是制约量子门操作精度提高的关键因素。本项目拟应用多种理论工具对系统噪声进行优化控制以提高量子门的保真度。具体研究内容包括：（1）首先，从噪声的局部动力学特性出发，构造出对两比特量子门具有显著抗噪效果的动力学优化脉冲序列，并标记出优化脉冲序列在噪声谱内的高效工作范围。（2）其次，进一步考虑噪声的整体特性，利用几何相位对局部噪声的容错优势，设计一个实验上可行的三能级类Λ型结构来构建和乐量子门，并引入几何操作的优化方案来增强量子门的抗噪性能。（3）最后，测量出半导体量子器件的噪声谱分布为噪声优化方案提供支持。本项目将紧紧围绕实验需求，对半导体系统容错量子计算的实现具有积极促进作用。

半导体量子点量子器件被广泛认为是实现通用量子计算的重要候选平台，有望结合现代成熟的半导体工艺，实现量子比特的大规模扩展，因此，半导体量子点作为理想的通用量子计算的候选载体受到广泛关注。另一方面，在半导体量子点器件中，量子门极易受到环境噪声干扰，本项目聚焦噪声优化这一核心问题，探索量子门的噪声优化机理。在本项目中，我们的研究对象主要面向半导体量子点中的电荷量子比特以及自旋量子比特系统。我们研究了砷化镓基电荷量子比特系统下单比特量子门的鲁棒量子调控机制，探索了电荷量子比特与超导量子电路的耦合机制并设计高效的动力学及几何量子门。同时，我们也研究了硅基自旋量子比特系统，提出了抗噪几何量子门的实现方案，并用随机标记技术标定出量子门的有效作用范围，进一步引进几何量子门的动力学优化，提升量子门性能。我们总计完成6篇论文的发表，其中包括4篇Physical Review A，1篇Advanced Quantum Technology，1篇ANNALEN DER PHYSIK。项目负责人均为第一或通讯作者。本项目有力促进了半导体量子点容错量子计算。