超导量子计算的容错性及其扩展化的理论研究

超导固态电路是极具潜力的实现量子计算的物理系统之一，近年来引起了人们极大的研究兴趣。基于超导电路灵活的结构设计和较好的可调控性，构建出可扩展的容错量子计算，无论对基础研究还是对潜在应用都有重要的价值。本项目拟研究的主要内容包括：（1）超导量子比特相干性保护的理论机制及其物理实现，通过分析不同的噪声成因来恰当地引入容错计算机制，从而能够最大限度地消除量子比特的退相干效应。（2）研究多量子比特间的相互作用，建立灵活可调的耦合方案，从理论上解决多量子比特的扩展化问题。（3）在多量子比特体系中，研究如何实现高保真度的容错量子计算及其相关的实验可行性，取得量子比特排列从一维线状到两维网格的实质性进展。我们试图在理论上丰富超导量子计算学的同时，探索一些新颖的容错性和可扩展性，设计出实际可行的可扩展容错量子计算新方案，为超导量子信息处理提供指导思路。

本项目考察超导量子计算的容错性及其扩展化的问题，依据超导量子比特的外在调控性和主导噪声对体系的退相干影响，紧密结合当前的实验进展，在理论上提出了容错计算及其可扩展化的量子信息处理方案。按照项目任务书的相关要求和研究目标，我们集中开展了以下三方面的研究工作。. 第一，根据超导量子比特相干性保护的理论机制，在分析环境噪声的成因之后，我们研究了库柏对盒子和超导电荷量子比特体系中的几何相位特性，提出了可调控地诱导阿贝尔和非阿贝尔几何相位的方案，并考察了相应几何相位的物理探测方法。除了外部环境诱导的体系退相干之外，内禀的能级结构特征对量子相干操作可能具有不可忽视的影响。为此，我们探究了外场驱动下能级的谐和性对量子态分布概率的影响，并提出了通过优化能级结构的非谐和性来消除外场诱导泄漏错误的有效物理方法。. 第二，考察多量子比特间的相互作用，建立了灵活可调的耦合方案。借助量子数据线作用，针对一维传输线谐振腔中超导电荷量子比特的排列，构建了任意量子比特间耦合的开启与关闭。基于该调控耦合的方式，实现了可扩展的无退相干子空间编码的容错量子计算。进一步，我们拓展超导量子比特的一维排列到两维排列情形，构建了多量子比特体系中可调控的耦合作用。. 第三，本项目研究了电路QED结构中库柏对盒子量子比特间高保真度且可逆的量子态传递。通过优化能级结构可以消除内禀泄漏错误，灵活地调节外在偏置参量则取得了较为强健的量子态传递操作。另外，借鉴固态杂化体系在量子信息处理中的各自优势，我们研究了超导电荷量子比特与量子点自旋比特间的态传递问题，实现了可调控的信息存储和读取操作，这对于建立高保真度的量子信息处理具有重要的意义。. 总之，本项目探索了超导量子电路一些新颖的容错性和可扩展性，提出了实际可行的量子信息处理新方案。因此，通过本项目的研究我们达到了预期的目标。在项目的资助下，共完成9篇学术论文，其中已发表了6篇SCI收录的论文和2篇中文核心论文，1篇在审SCI论文。