Nature Communications更新 | 通过遍历双玻色子阶梯增强基于量子比特的量子处理器

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引言
近年来，量子计算取得了显着进展，超导线路成为实现量子处理器有前途的平台。虽然目前大多数量子计算机依赖于两能级量子比特（qubit），但对探索高维量子系统（qudit）的兴趣日益增长。本文将探讨Nguyen等人在基于量子比特的量子处理器方面的最新进展，重点关注他们开创性工作中展示的实验技术和应用[1]。
量子比特的优势量子比特是具有两个以上能级的量子系统，相比传统的量子比特具有以下优势：

信息容量增加：量子比特可以编码更多的信息，可能减少复杂量子计算所需的物理元件数量。

简化量子线路：某些算法使用量子比特可以更有效地实现，从而减少线路深度并提高性能。

增强纠错能力：基于量子比特的纠错码可能提供更好的抗噪声和退相干保护。

更丰富的量子动力学：量子比特中的额外能级允许更多样化的量子操作和状态。

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6 }" V% ^' G+ i. i图1：基于量子比特的量子处理器示意图。量子比特被描绘成非循环齿轮，可以单独控制或使用双光子驱动同时旋转。

* K0 ^4 w' c3 W) C, e* J4 [- T
' F# V+ N) p/ q2 C" R实验设置
研究人员使用超导线路实现了基于量子比特的量子处理器。每个量子比特由一个约瑟夫森结和一个大电容并联构成，形成一个非线性谐振子，在其势阱中有多个能级。量子比特通过电容耦合形成阵列，每个元件都有独立的控制和读出线路。
0 S/ u+ T$ ]7 _  c4 x( x( x, ?
主要实验特征包括：
6 A; z% j+ u# z( o! ], v$ G) d' c

局部控制：每个量子比特可以使用微波驱动独立操控。

读出：色散耦合谐振器允许高保真度的状态测量。

双光子相互作用：一种在量子比特之间诱导纠缠的新技术。

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图2：实验结果显示（上）拉比振荡和（下）不同维度d的单量子比特门的随机化基准测试。

& g+ h& F0 j/ O4 R/ r) A双光子相互作用
7 c& }) ?4 W- }4 @9 f这项工作的基石是开发了在量子比特之间诱导双光子相互作用的稳健方法。这个过程允许创建纠缠和实现多量子比特门。该过程的关键步骤是：

对两个量子比特施加单色微波驱动。

虚激发中间态。

在特定的双粒子态之间进行相干布居转移。

研究人员展示了诱导各种量子比特态之间的跃迁的能力，如|00? ? |11?和|11? ? |22?。

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2 G$ t2 h: l% m% ?( C8 `, _图3：显示两个耦合量子比特之间的相干|00? ? |11?布居交换的雪佛龙图案，作为驱动频率和脉冲持续时间的函数。
! Z8 q$ L% d- D# q) J+ Q. x* [
. d% a5 V  N, W$ G0 Q3 U多量子比特门
利用双光子相互作用，研究人员使用量子三元系统（三能级系统）实现了新颖的多量子比特门。他们展示了：
' [9 ^% R2 H, B# u! M& I. ~5 ]

保真度为96.0%的三量子比特受控受控-Z（CCZ）门。

真值表保真度为92%的四量子比特受控受控受控-Z（CCCZ）门。

这些门利用量子比特的高能级进行临时状态存储，与传统的基于量子比特的线路相比，实现更加高效。

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& g; v% _2 C" G* S( f& e2 W图4：使用基于量子比特的操作实现（左）CCZ和（右）CCCZ门的门序列。
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0 W1 _. |: A, v) ?& _7 _8 N7 K
高维纠缠
; `' Z) X. t& R# |2 C0 P, d研究人员通过创建各种高维纠缠态展示了其量子比特系统的能力：

贝尔态：维度d = 2、3和4的两量子比特纠缠态。

NOON态：形如(|N0? + |0N?)/√2的叠加态，对量子计量学有用。

原子薛定谔猫态：宏观上不同的量子态的叠加。

2 q" l, _1 ?3 x3 _) k2 N& D+ z这些态通过量子态层析表征，并使用各种准概率分布进行可视化。

8 D# K0 P4 Y1 t  G; ?

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/ Z$ q1 S3 F+ `0 d9 R& S图5：（a）d=2、（b）d=3和（c）d=4量子比特的贝尔态密度矩阵，展示了高维中的高保真度纠缠。

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图6：（左）两个量子比特和（右）三个量子比特的高维原子猫态的维格纳函数，显示了特征干涉条纹。
7 N9 z  Z* a/ y. T5 N
9 o  E  w( ~) ~' L" h, s! X0 g
5 ]6 e1 d7 l4 [: K) C2 x9 v  L纠缠分配
  [0 W; F) ^# L8 o# @研究人员展示了使用双光子相互作用在量子比特阵列中分配纠缠的能力。他们展示了：

在非相邻量子比特之间传输贝尔态。

创建多量子比特GHZ态。
5 l: f5 [) @+ j
" z. [- o, c. h, s* @* @这种能力对于在大规模量子处理器中实现量子算法和纠错码非常重要。
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图7：测量的布居显示了贝尔态纠缠从（a）Q1-Q2到（b）Q1-Q3和（c）Q1-Q4的分配。

3 f& c$ n9 w- V- S) n) s
0 P* Y) ^+ a- [* Q  R应用和未来方向
这项工作中展示的基于量子比特的量子处理器为量子计算和量子信息处理开辟了几个令人兴奋的可能性：
1. 量子传感：高维纠缠态，如NOON态，可能增强量子传感器的精度。
2. 量子纠错：基于量子比特的纠错码可能提供更好的抗噪声和退相干保护。
3. 量子模拟：量子比特系统更丰富的希尔伯特空间可能允许更有效地模拟复杂量子系统，如化学和材料科学中的系统。
4. 量子通信：高维量子态可能增加量子通信信道的信息容量。
5. 容错量子计算：新型基于量子比特的架构，如使用自旋猫编码的架构，可能为可扩展的、纠错的量子计算机提供更有效的路径。
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7 F, H8 ^3 C% g+ a6 h9 ~" l& ]
挑战和展望
0 O$ ~7 C! \* N. _" ?6 h+ V在实现基于量子比特的量子处理器的全部潜力方面仍然存在几个挑战：
1. 退相干：量子比特中的高能级通常更容易受到噪声和退相干的影响。提高这些能级的相干时间是关键。
2. 控制复杂性：随着量子比特维度的增加，准确操纵所需的控制脉冲的复杂性也随之增加。
/ n3 R: M8 _7 ^0 [7 w! h8 W) b$ R9 [3. 可扩展性：在更大的量子比特阵列上展示这些技术对于证明其在实际量子计算中的可行性是必要的。
3 b8 U" _2 S% n: Q- N4. 算法开发：需要开发充分利用量子比特结构的新量子算法，以展示这种方法的优势。
6 ]# S; A6 ^! A
结论
; @  C- `3 l+ SNguyen等人的工作代表了基于超导线路的高维量子处理器发展的重要一步。通过利用量子比特的能力并开发新的双光子相互作用技术，他们展示了多功能平台，用于探索超越传统量子比特范式的量子信息处理。随着这一领域研究的继续推进，可以期待在量子比特控制、相干性和可扩展性方面取得进一步的改进，可能导致未来更强大和更高效的量子计算机。
3 F- p) `6 d! z9 p: A
( G( c: G2 J0 Z% P
( r: V- B2 o, j# f0 a: p参考文献
! c+ t( _4 F: t% G[1] L. B. Nguyen et al., "Empowering a qudit-based quantum processor by traversing the dual bosonic ladder," Nature Communications, vol. 15, no. 1, p. 7117, Aug. 2024, doi: 10.1038/s41467-024-51434-2.
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