據了解，近年來，CR邏輯門成為超導量子計算中一種非常重要的雙比特門操作，這種門操作無需調節量子比特頻率，同時又可通過改變驅動功率方便地調節門操作的速度，因而被廣泛運用於大規模超導量子計算中。
然而，在大規模超導量子體系中，雙量子比特門操作不可避免地受到環境量子比特的嚴重影響，因此找到減小或消除環境比特影響的有效方法成為大規模超導量子計算中提高邏輯門操作保真度亟待解決的關鍵問題之一。
近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在超導量子計算領域取得重要進展，該小組利用可調耦合的多量子比特系統首次實驗研究了環境比特對於交叉共振邏輯門（Cross-resonance（CR））的影響並提出了實驗解決方案。
圖1：(a)實驗系統示意圖（4個計算量子比特（Q1-Q4）與3個可調耦合器比特（C1-C3）），其中門比特Q2和Q3用來實現CR門，Q1和Q4為環境量子比特。(b) 環境比特對CR門操作影響示意圖。
研究過程中，研究人員利用四個計算量子比特（Q1-Q4）和三個可調耦合器量子比特（C1-C3），通過耦合器比特調節計算量子比特間的耦合強度，並發展三比特哈密頓層析技術，研究環境比特（Q1和Q4）對於門比特間（Q2和Q3）CR門的影響。
實驗結果表明，環境比特對雙量子比特門操作的影響主要來源於環境比特處於特定頻率時的系統共振激發以及門操作過程中環境比特與門比特之間的ZZ相互作用，這些因素影響了門比特的頻率，進而扭曲CR門的演化，最終降低了雙比特門操作的保真度，甚至會導致CR門操作失效。
圖2：孤立體系的CR門（左）和受到環境比特影響的CR門（右）
這項工作提出了在大規模超導量子體系中，環境比特存在和不存在兩種情況下有效提高雙量子比特門操作保真度的解決方案，該實驗結果對未來大規模超導量子計算和模擬中比特頻率和耦合強度等參數的設計與控制提供實驗參考和解決方案。
該成果的研究論文《可調耦合超導電路中環境比特對雙量子比特門操作的影響》（Impact of Spectators on a Two-Qubit Gate in a Tunable Coupling Superconducting Circuit）於近日在國際學術期刊《物理評論快報》上刊發。
該論文共同第一作者為交叉信息研究院博士生蔡天奇和韓璽月，通訊作者為段路明教授和宋禕璞研究員。其他作者包括交叉信息研究院博士后吳宇愷，博士研究生馬玉林、王家輝、王志凌以及助理研究員張宏毅和王海艷。該工作得到了國家自然科學基金（項目編號11874235）、國家重點研發計劃（項目編號2016YFA0301902）和清華大學自主研發項目的資助與支持。
論文鏈接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.060505