利用量子控制设计快速低错误率量子门

Quantum computing promises transformational impact by making certain classically intractable problems easy to solve. However, the impact of quantum computing is delayed because quantum gates do not yet meet the low-error threshold required for scalability. If this low-error threshold is met, then quantum information, expressed as strings of qubits, should be converted to a protective codespace, then transformed and then decoded.The smallest codespace to protect quantum information has five qubits, and, to date, no experiment has successfully demonstrated coding, quantum information processing, and decoding using a protective codespace...Our goal is to devise quantum-control sequences first for four-qubit gates and then for five-qubit gates to enable the first-ever demonstration of quantum information processing in a codespace, which represents a monumental advance towards scalable quantum computing. For our project to succeed, we must optimize with Hilbert spaces of thousands of dimensions whereas the state of the art is for hundreds of dimensions...We plan to use and modify swarm optimization techniques by projecting to lower effective dimensions. Our focus will be on three applications: superconducting circuits with transmons, ion traps and magnetic resonance. In addition to devising tractable quantum-control multi-qubit gate-design sequences using swarm-intelligence machine learning, we plan to collaborate with experimentalists in China to test and exploit this capability and ultimately to release software for experimentalists to use in designing low-error multi-qubit gates for quantum coding and decoding and other purposes.

量子计算可以很容易解决经典棘手问题。但是，因为没有可扩展的低误差量子门，量子计算未能实现。如果满足较低的误差，那么用量子比特编码的量子信息，可以被保护在代码空间内，然后进行处理和解码。保护量子信息的最小码空间需要5-qubit，迄今为止，没有实验完整演示编码、信息处理和解码。. 本项目目标是，首先针对四比特门设计控制序列，再推及五比特门，完成在编码空间处理量子信息的第一例演示，这是可扩展量子计算的巨大进步。为了达到这个目标，必须优化数千维度的希尔伯特空间，其中态的维数是数百维。. 本项目计划利用群优化算法来降低所需处理的维数，将主要研究三个物理系统：超导电路，离子阱和磁共振。除了利用群体智能机器学习技术来设计性能优越的多比特门控制序列，还计划和国内的相关实验室合作来测试开发相应的软件，此软件可设计用于量子编码、量子解码和其他用途的低误差量子门。

量子计算可以很容易解决经典棘手问题。但因没有可扩展的低误差量子门，大型通用量子计算未能实现。如果满足较低的误差，那么用量子比特编码的量子信息，可以被保护在码空间内，进行处理和解码。保护量子信息的最小码空间需要5-qubit，在该项目启动前，还没有实验完整演示编码、信息处理和解码。..我们主要研究和发展量子控制的理论和算法，并将其应用于量子门设计、量子相位估计等具有实际噪声的量子系统。此外，还研究了量子模拟、量子计算、量子信息方面的相关课题。..在量子控制方面，我们发展了优化量子控制的理论框架，用来解决带噪声和损耗的系统的量子控制问题。对比传统算法，在具体的量子门设计和量子相位估计问题当中，有更高的保真度和可扩展性。我们还发展出用于对qudit的幺正量子门随机基准测试方法、求解了经典绕中心势绕转的两体确定性碰撞的控制优化问题、给出非线性系统中设计和实现线性量子门的优化控制方案。..在量子模拟方面，我们主要研究了量子游走。我们构建将分步量子游走转化为一般量子游走的分解方法，并利用量子游走分析了D-Wave量子退火计算机底层结构的对称信息、得到了冷原子体系拓扑量子相变和实验可观测量之间的对应关系。..在量子计算方面，我们基于群论方法研究了玻色采样问题，得到态的置换对称性和干涉网络对称性之间的对应关系、考虑极化对光量子计算的影响。结果可用于大型光量子计算机研究中。..在量子信息方面，我们发展出在非惯性系下的量子密钥分发协议、研究了非惯性系下的多方不确定关系、设计出将15比特的Reed-Muller量子码和7量子比特的Steane码之间相互转换的容错量子线路、给出了表面-等离子激元在界面成功传播的电导率和磁导率的严格数值边界、构建了一个可以模拟任意量子信道的光学系统、利用双重电磁感应透明在实验上实现受弱探测光和强耦合信号光驱动的三能级原子中探测光场的相干放大、利用多耦合势阱系统给出了实现四分态的近似方法。这些结果都在未来构造大型的量子计算和通讯网络中有潜在应用。

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