将量子比特编码入多能级子空间

我们提出一种将量子比特逻辑基编码入多个物理能级子空间的形式化方法。这种多能级编码的需求在量子操作速度超出量子比特物理系统单个能级可寻址性所施加限制的情况下自然产生。多能级编码形式化的一个基本特征是不同物理态以及相应不同物理变换的逻辑等价性。此逻辑等价性是在设计逻辑操作时显著灵活性的来源，而多能级结构固有地容纳快速强宽带控制，从而促进更快的量子操作。多能级编码的另一个重要实际优势是能够在编码子空间内存在混合与退相干时维持完全量子计算保真度。该形式化针对单量子比特操作详细发展并推广到多量子比特。作为说明性例子，我们对模型多能级系统执行单量子比特操作的闭环最优控制模拟，随后在有限温度应用这些操作以研究退相干对操作保真度的影响。