近日，我院量子信息与量子计算研究小组在时间优化几何量子门方面取得进展，相关成果以One-Step Implementation of Time-Optimal-Control Three-Qubit Nonadiabatic Holonomic Controlled Gates in Rydberg Atoms为题，发表在国际知名物理类期刊《Physical Review Applied》上。论文第一作者为我院20级硕士研究生孙莉娜，通讯作者为闫磊磊、苏石磊。

文章提出了一种在里得堡原子中一步实现时间优化非绝热和乐三量子比特门方案。在传统非绝热和乐量子门的基础上通过时间优化技术，减少了门操作时间和激发态布居。数值模拟表明在理想情况下三比特受控门的保真度可以达到0.995。此外，在环境误差（退相，自发辐射）和系统误差（拉比频率波动，能级失谐）情况下，数值模拟表明该方案相较于传统动力学门方案和传统非绝热和乐量子计算（NHQC）方案具有高保真强鲁棒的优势。

图1（左上）时间优化非绝热和乐量子计算演化路径（TONHQC）（红线）以及传统非绝热和乐量子计算(NHQC)的演化路径（蓝线）；（左下）该方案（TONHQC）与传统方案（NHQC）演化时间的对比；（右）该方案（TONHQC）与传统方案（NHQC）激发态布居的对比。

图2以三比特T门和X^1/2门为例，该方案（TONHQC）,传统非绝热和乐量子门（NHQC）以及传统动力学（DQC）在退相误差(a),(c)，拉比频率波动误差(b),(f)，失谐误差(c),(g)，自发辐射误差(d),(h)下的平均保真度。

方案主要有以下特点：(1)三比特门的一步实现相较于分步实现很大程度上缩短操作时间和难度，门的容错性更佳。(2)时间优化后的路径更短，门演化时间更短，减少了退相干的影响。(3) 时间优化后的演化在激发态上几乎没有布居，使量子门对自发辐射误差更鲁棒。此外，本文还讨论分析了实验实现中存在的可能对方案有影响的因素，如:能级耦合，激光衍射极限，自发辐射，以及实验温度等对方案等，这为实现高保真强鲁棒量子门提供一种新方法。

该工作得到了国家自然科学基金委河南省自然科学基金的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.064040