物理学。修订稿。121110501（2018）-超导电路中任意非绝热完整单量子比特量子门的单圈实现

超导电路中任意非绝热完整单量子比特门的单圈实现

Y.Xu、W.Cai、Y.Ma、X.Mu、L.Hu、Tao Chen、H.Wang、Y.P.Song、Zheng Yuan Xue、Zhang qi Yin和L.Sun

物理学。修订稿。121，110501–2018年9月11日出版

摘要

几何相位具有抗噪声能力，因此为高保真量子操作提供了一种稳健的方法。在这里，我们以单环的方式实验证明了超导transmon量子位和微波腔的任意非绝热完整单量子位量子门。在这两种情况下，都使用一个辅助状态，同时使用两个谐振微波驱动器，其振幅和相位可控但变化，以实现门的任意性。通过随机基准测试，传输量子比特上产生的门达到了0.996的保真度，基于全量子过程层析成像，腔上的门显示出0.978的平均保真度。原则上，基于我们提出的实验方案，还可以在量子比特和腔之间实现一个非平凡的双量子比特完整门。因此，我们的实验为超导电路中量子比特和空腔的实际非绝热完整量子操作铺平了道路。

收到日期：2018年4月25日

内政部：https://doi.org/10.103/PhysRevLett.121.110501

物理学科标题（PhySH）

量子控制量子门

超导量子位

量子信息、科学与技术

作者和附属机构

Y.Xu先生¹,W.蔡¹,马云（Y.Ma）¹,十、亩¹,L·胡¹,陈涛（Tao Chen）²,H.王¹,宋永平¹,郑元雪^2,*,张启音^1,†、和L.孙^1,‡

¹清华大学跨学科信息科学研究所量子信息中心，北京100084
²华南师范大学物理与通信工程学院量子工程与量子材料广东省重点实验室，广州510006

^*zyxue83@163.com
^†yinzhangqi@tsinghua.edu.cn
^‡luyansun@tsinghua.edu.cn

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第121卷，第。2018年9月11日至14日

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图1
单级单量子比特完整门。（a）两个微波场共振耦合到 $| 克 ⟩ \leftrightarrow | e（电子） ⟩$ 和 $| e（电子） ⟩ \leftrightarrow | （f） ⟩$ 传输量子比特的跃迁以产生任意单量子比特完整门 ${| 克 ⟩, | （f） ⟩}$ 子空间。第一激发态 $| e（电子） ⟩$ 是辅助级别。（b）完整门的布洛赫球面表示：两个微波场的组合，在门操作的第一和第二部分具有两组不同的相位，相当于驱动亮态 $| b条 ⟩$ 至辅助状态 $| e（电子） ⟩$ 然后再返回一个附加阶段，而黑暗状态 $| d日 ⟩$ 保持不变。（c）简化的实验装置。两个微波沟道中的两个传输量子比特耦合到两个微波腔，一个用于读出，另一个用于存储。量子比特完整门用 $问_{1}$ ，而腔完整门是用福克态实现的 ${| 0 ⟩, | 1 ⟩}$ 在两个量子位促进的储存腔中（图4). （d） QPT用于表征任意完整门的性能。任意初始状态都是在 $| 克 ⟩ \leftrightarrow | e（电子） ⟩$ 和 $| e（电子） ⟩ \leftrightarrow | （f） ⟩$ 过渡。在最终测量之前，在量子位上执行九个顺序的预旋转脉冲，以获得具有三个能级的transmon的全态断层扫描。
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图2
单量子比特完整门的QPT。（a）无人值守 $χ$ 矩阵保真度 ${F类}_{无人参与}$ 单量子比特完整门 ${U型}_{1} (θ, γ, ϕ)$ 与不同 $θ$ 和 $γ$ 虽然 $ϕ = 0$ .平均保真度 ${\bar{F类}}_{无人参与} = 0.994$ 而平均衰减保真度 ${\bar{F类}}_{自动变速箱} = 0.975$ （b）简化过程矩阵的轨迹 $χ_{第页}$ 作为两者的函数 $θ$ 和 $γ$ 具有 $ϕ = 0$ 。平均轨迹为0.992，表示计算子空间外有少量泄漏 ${| 克 ⟩, | （f） ⟩}$ （c）实际和虚拟部分的条形图 $χ_{第页}$ 四个特定门中的一个： ${X（X）}_{π} = {U型}_{1} (π / 2, π, 0)$ , ${X（X）}_{π / 2} = {U型}_{1} (π / 2, π / 2, 0)$ , $H（H） = {U型}_{1} (π / 4, π, 0)$ 、和 ${Z轴}_{π} = {U型}_{1} (0, π, 0)$ ，其中 ${R（右）}_{φ}$ 表示量子位旋转一个角度 $φ$ 沿轴线 $R（右）$ 和 $H（H）$ 代表哈达玛门。中的数字 $x个$ 和 $年$ 轴对应于基集中的运算符 ${我, X（X）, 负极我 Y（Y）, Z轴}$ 的 ${| 克 ⟩, | （f） ⟩}$ 子空间。实心黑色轮廓是理想的大门。
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图3
单量子比特完整门的RB。（a）参考RB实验和交错RB实验的序列。（b）序列保真度随栅极长度衰减 $米$ .每个序列长度的保真度 $米$ 是针对 $k个 = 100$ 不同随机序列与平均值的标准偏差绘制为误差线。两条曲线均拟合有 $F类 = A类 {第页}^{米} + B类$ 具有不同的序列衰减 $第页 = {第页}_{参考}$ 和 ${第页}_{大门}$ 每个Clifford门的平均门保真度为 ${F类}_{平均值} = 1 负极 (1 负极 {第页}_{参考}) / 2 = 0.996$ 参考和交错RB实验之间的差异给出了特定的门保真度 ${F类}_{大门} = 1 负极 (1 负极 {第页}_{大门} / {第页}_{参考}) / 2$ 。红色虚线表示超过门保真度0.990的阈值。
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图4
腔Fock状态子空间的全息门 ${| 0 ⟩, | 1 ⟩}$ （a）Fock状态的完整门以及编码和解码过程的说明。完整门是通过使用选择性双光子跃迁驱动来实现的 $Ω_{1} {e（电子）}^{我 ω_{d日} t吨}$ 关于量子比特 $问_{1}$ 和空穴辅助拉曼跃迁驱动 $Ω_{2} {e（电子）}^{我 ω_{第页} t吨}$ 之间 $| 1 克 ⟩$ 和 $| 0 （f） ⟩$ 编码和解码过程通过量子位之间的交换操作来实现 $问_{2}$ 以及通过类似于栅极的拉曼跃迁驱动的腔模。（b） Fock中完整门QPT的实验序列 ${| 0 ⟩, | 1 ⟩}$ 子空间。（c）过程实部和虚部的条形图 $χ$ 整个过程的矩阵，包括编码和解码过程，具有以下门： ${X（X）}_{π} = {U型}_{2} (π / 2, 0)$ , ${Y（Y）}_{π} = {U型}_{2} (π / 2, π / 2)$ , ${H（H）}_{1} = {U型}_{2} (π / 4, 0)$ 、和 ${H（H）}_{2} = {U型}_{2} (π / 4, π / 2)$ 这些闸门的衰减和未衰减过程可信度分别为0.880、0.881、0.877、0.879和0.990、0.990、0970、0.962。中的数字 $x个$ 和 $年$ 轴对应于基集中的运算符 ${我, X（X）, 负极我 Y（Y）, Z轴}$ .实心黑色轮廓是理想的门。
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物理审查信函

超导电路中任意非绝热完整单量子比特门的单圈实现

Y.Xu、W.Cai、Y.Ma、X.Mu、L.Hu、Tao Chen、H.Wang、Y.P.Song、Zheng Yuan Xue、Zhang qi Yin和L.Sun

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