利用非绝热快速扫频实现高保真度通用量子门集

本文给出了数值模拟结果，表明一类最早于 1991 年在实验中实现的非绝热快速扫频（non-adiabatic rapid passage sweeps）能够实现以高保真度运行的通用量子门集 $G_{u}$。构成 $G_{u}$ 的门包括 Hadamard 门和 NOT 门，以及相位门、$\pi /8$ 门和受控相位门的变体。通过证明 $G_{u}$ 可以构建由 Hadamard 门、相位门、$\pi /8$ 门和受控非门组成的通用集合，确立了 $G_{u}$ 的通用性。文中提供了扫频参数值，模拟表明这些参数将产生 $G_{u}$ 中的不同门，且其门错误概率 $P_{e}$ 满足：(i) 对于单量子比特门，$P_{e} < 10^{-4}$；(ii) 对于修正的受控相位门，$P_{e} < 1.27\times 10^{-3}$。此类扫频是非复合的，并能产生可控的量子干涉效应，使得 $G_{u}$ 中的门能够在保持高保真度的同时以非绝热方式运行。这些干涉效应已通过核磁共振（NMR）观测到，此前已有研究展示了如何将这些快速扫频应用于电场作用下的原子系统。在此，我们展示了如何将这些扫频应用于超导电荷量子比特和磁通量子比特系统。模拟结果表明，由这些快速扫频产生的通用门集 $G_{u}$ 有望成为量子计算容错方案的潜在元件。