清华大学量子信息中心孙麓岩副教授超导量子计算研究组与尹璋琦助理研究员以及华南师范大学薛正远研究员合作，在超导电路中演示了和乐量子门操作的新方法。该研究成果论文《在超导电路中任意非绝热和乐单比特量子门的单圈实现》（Single-Loop Realization of Arbitrary Nonadiabatic Holonomic Single-Qubit Quantum Gates in a Superconducting Circuit）近日发表在《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 121, 110501, 2018）。

基于约瑟夫森结的超导量子比特，在可操控性和可扩展性等方面都具有很大的优势，是目前国际上公认的最有希望实现量子计算的几个物理系统之一。众所周知，对操控噪声不敏感的高保真度量子逻辑操控是实现大规模量子计算的关键。几何量子计算是利用几何相位来实现量子逻辑门操作的量子计算策略，其特点是利用几何位相的整体几何性质来避免某些局域无规噪声的影响，从而实现高保真度的量子逻辑门。因此，基于阿贝尔和非阿贝尔几何相位的几何与和乐量子操控是量子物理和量子信息领域中非常重要的研究课题。孙麓岩研究组基于薛正远研究员提出的理论方案，利用超导量子比特与经典和量子化微波光场间的相互作用，通过哈密顿量参数空间的单圈演化，实现了对超导比特和微波光子的任意非绝热和乐单比特量子门，门保真度分别达到99.6%和97.8%。

图1 单比特和乐门的RB结果。（a）参照和插入RB实验门序列。

（b）不同RB实验的量子门保真度随量子门序列数的衰减图。

图2：单光子和乐量子门操作结果的态层析结果。

此前，瑞士联邦理工学院的超导量子计算研究组通过超导量子比特与经典微波的相互作用实现了单比特和乐量子门操作。然而，他们实验需要两次逻辑门组合才能够实现任意的单比特量子门。清华大学量子信息中心所演示的实验方案一次演化即可实现任意的单比特量子门，因此该方法能够简化实际量子计算中所需的量子门个数。该研究工作结果可望在通用量子计算等量子信息领域发挥重要作用。

论文第一作者为量子信息中心的博士生徐源，共同通讯作者为华南师范大学的薛正远研究员、清华大学量子信息中心的尹璋琦助理研究员和孙麓岩副教授。其他作者包括量子信息中心的博士生蔡伟州、马雨玮、穆相豪、胡玲，助理研究员王海燕，副研究员宋祎璞以及华南师范大学硕士生陈涛。此项研究工作得到国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金支持。

论文链接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110501