近日，我所量子信息与量子模拟理论组在进一步提升几何量子计算的性能方面取得新进展，相关成果以Decoherence-suppressed nonadiabatic holonomic quantum computation为题，发表在国际知名物理类期刊《Physical Review Research》上。论文通讯作者为我所苏石磊副教授。

由于几何相位只依赖于整体的演化路径，对局部误差不敏感，且非绝热过程可以极大地缩短系统的演化时间，非绝热和乐量子计算（Nonadiabatic holonomic quantum computation，NHQC）自提出以来就受到了人们的广泛关注。不幸的是，我们发现非绝热和乐量子计算天然地存在着一个潜在弊端，它的实现需要引入额外的激发态辅助能级，这个能级的耗散和退相相对基态大得多，因此该方案对误差比较敏感。如何减少NHQC在激发态上的布局，抑制耗散和退相对该方案的影响还没有被充分研究。

文章提出通过逆向设计哈密顿的激光参数，分析激发态的耗散和退相对量子门保真度的影响，得到了一个高保真度、强鲁棒性的通用的非绝热和乐量子门。

通过设置基态与激发态之间的失谐，发现失谐越大，基态与激发态之间耦合激光所用的时间越长，相反激发态上的总布局会变小。与以往方案不同，该方案独辟蹊径，发现量子门操作所用的时间越长，退相干的影响反而越小，保真度越高。此外，我们在金刚石NV色心系统中利用该方案实现了通用的单比特门和非平庸的两比特门，对应的能级结构如图1所示。

图1在NV色心中实现抑制退相干的NHQC。(a)金刚石中NV色心示意图。(b)NV色心中单比特操作的能级结构和耦合示意图。(c)非平庸的两比特门通过两个NV色心与同一个腔耦合得到，具体的耦合在插图中显示。

如图2所示，我们给出了具体的数值模拟结果证明我们方案的可行性。可以看出，当考虑退相干时，k越大，门的保真度越高，k大于100时，我们至少可以以97.71%的保真度实现Hadamard和NOT门，超出了目前所有的光学实验中可以实现的NHQC门的保真度（93%）。此外，随着k的增加，我们方案对耗散和退相的鲁棒性也有着很明显的提升，考虑耗散（退相）误差偏离真实误差10倍左右时，k为1000时门的保真度比k为1（NHQC）的保真度提升了约35%。

图2抑制退相干的NHQC方案实现几何门的性能。不同的k实现的NOT门(a)和Hadamard门(b)的保真度的动力学过程。考虑自发耗散误差(c),(d)和退相误差(e),(f)存在时，NOT门和Hadamard门的保真度。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.013059

该工作得到了中国国家自然科学基金、河南省重大科技专项和河南省自然科学基金的支持