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金贤敏团队在光子芯片中实现量子比特错误过滤器

3月16日,国际物理学权威期刊《物理评论快报》以“Symmetry-Induced Error Filtering in a Photonic Lieb Lattice”为题发表了上海交通大学金贤敏团队的最新研究成果:提出一种由对称性诱导的对相位量子比特进行错误过滤的方案,并利用具有相位调控功能的光子芯片实现了对π相位量子比特的保护和过滤。

量子系统通过编码量子比特可以解决经典计算机难以解决的问题。目前,用于解决特定问题的专用量子计算机已被证明具有超越经典计算机的量子优越性,然而通用量子计算的发展不可避免地受到噪声的阻碍。具有非平庸拓扑属性的量子霍尔效应等物理现象常被用于容错量子计算的研究,然而其要求拓扑能带间隙和打破时间反演对称等严格的条件。研究团队提出了利用普遍的几何对称性来实现量子比特错误过滤器的方案,并在光子Lieb晶格中实现了对π相位量子比特的保护和过滤。

光子Lieb晶格以及具有相位调控的光子芯片

研究团队在光子芯片上构建Lieb晶格,并将格点A和B上空间模式的叠加态编码为相位量子比特。基于Lieb晶格上平坦能带的简并特性,π相位量子比特可以完好地传输,而0相位量子比特会完全扩散。在实验中,研究团队将自发参量下转换产生的单光子源注入到片上MZI结构从而产生相位量子比特,并通过热移相器对其相位进行调控。

对量子比特的相位进行扫描可测试其相位传输曲线。处于相位π和0的量子比特的传输函数具有5.1 dB的隔离度,而且具有空间隔离的特性,因此可有效地用于对相位偏差的过滤以及实时监测。进一步,量子比特的局部分布特征可甄别量子比特的相位。

量子比特随相位调制的传输曲线及量子态分布结果

基于对飞秒激光直写技术的精准操控能力,几何结构具有较好的扩展能力。在光子Lieb晶格上实现的对量子比特的错误过滤方案,可扩展到多种相位以及多量子比特,因此预示着一个受对称性保护的通用量子计算的发展方向。

研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭,感谢国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。上海交通大学集成量子信息技术研究中心硕士生常义军为论文第一作者,金贤敏教授为论文通讯作者。

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.110501

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