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　　清華新聞網12月14日(ri)電 在(zai)含噪(zao)聲中(zhong)等規模量(liang)(liang)子(zi)(zi)(NISQ)體系中(zhong)的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算一直以(yi)(yi)來都(dou)被認(ren)(ren)為(wei)是(shi)有潛力(li)實現超(chao)越經典(dian)計(ji)算能力(li)的(de)應用。在(zai)這一研究領(ling)域中(zhong)的(de)核心(xin)挑戰是(shi)通(tong)過(guo)對誤(wu)差進行校準以(yi)(yi)取得(de)高保真度的(de)結果。概率誤(wu)差消除(chu)(PEC)方案通(tong)過(guo)對量(liang)(liang)子(zi)(zi)門的(de)誤(wu)差進行表(biao)征和采(cai)樣(yang)，可(ke)以(yi)(yi)消除(chu)量(liang)(liang)子(zi)(zi)線路(lu)期望值中(zhong)存在(zai)的(de)錯誤(wu)，并且不需要消耗額外的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)資源(yuan)，因此被認(ren)(ren)為(wei)是(shi)一種通(tong)用且系統性的(de)方法。

　　近(jin)日(ri)，由清華大學物理系(xi)金奇奐(huan)教授領導的研究(jiu)(jiu)團隊進(jin)行(xing)的一項新研究(jiu)(jiu)展(zhan)示(shi)了離(li)子阱系(xi)統對(dui)于復雜量(liang)子線路進(jin)行(xing)誤差(cha)消除的能力。這項研究(jiu)(jiu)使用最多四個(ge)離(li)子阱量(liang)子比特來(lai)對(dui)PEC進(jin)行(xing)基(ji)準測(ce)(ce)試(shi)，以提高費米(mi)-哈伯德模型量(liang)子模擬的精(jing)度(du)。研究(jiu)(jiu)發(fa)現，PEC方(fang)案可以有效地(di)提高量(liang)子線路運行(xing)的保真度(du)，從而在實驗(yan)中成功觀(guan)測(ce)(ce)到費米(mi)子的自(zi)旋-電荷(he)分離(li)現象(xiang)。

　　圖1.(a)雙費米子(zi)模(mo)(mo)式量子(zi)模(mo)(mo)擬線路(lu)。(b)雙比(bi)特(te)門(men)的準概率分解(jie)。(c)-(e)雙比(bi)特(te)門(men)誤差(cha)(cha)表(biao)征(zheng)結果(guo)。(f)包含PEC的量子(zi)模(mo)(mo)擬線路(lu)。(g)無(wu)誤差(cha)(cha)緩解(jie)方案(an)的實(shi)驗運(yun)行(xing)結果(guo)。(h)含誤差(cha)(cha)緩解(jie)方案(an)的實(shi)驗運(yun)行(xing)結果(guo)。(i)不同誤差(cha)(cha)緩解(jie)步驟間的保真度對比(bi)

　　如圖1所示，在這項研(yan)究(jiu)中，研(yan)究(jiu)人(ren)員使用離子阱量(liang)(liang)子比(bi)特對費米-哈伯德模型進行量(liang)(liang)子編碼(ma)，并通過對其(qi)中包含(han)的(de)全部多比(bi)特量(liang)(liang)子門(men)進行誤差標定，使用包含(han)PEC在內的(de)多種方(fang)式對量(liang)(liang)子線路進行蒙特卡洛采樣，以(yi)(yi)獲得(de)經過誤差緩(huan)解(jie)后(hou)的(de)線路運行結果。圖1(i)展示了應用量(liang)(liang)子誤差緩(huan)解(jie)方(fang)案(an)后(hou)的(de)保真度提(ti)升(sheng)，可以(yi)(yi)看到量(liang)(liang)子誤差緩(huan)解(jie)方(fang)案(an)獲得(de)了比(bi)較明(ming)顯的(de)效果，將線路中的(de)平(ping)均多比(bi)特門(men)操(cao)作保真度提(ti)高到99.75%。

　　圖2.(a)-(d)含(han)自(zi)旋(xuan)且不考慮格點內(nei)相互作(zuo)用的(de)費米子模(mo)(mo)(mo)型模(mo)(mo)(mo)擬(ni)(ni)結(jie)(jie)果。(e)-(h) 含(han)自(zi)旋(xuan)且考慮格點內(nei)相互作(zuo)用的(de)費米子模(mo)(mo)(mo)型模(mo)(mo)(mo)擬(ni)(ni)結(jie)(jie)果。(a)(e)原始數(shu)據(ju)。(b)(f)應(ying)用誤差(cha)消除方案(an)后(hou)的(de)實驗結(jie)(jie)果。(c)(g)使用不同誤差(cha)消除方案(an)后(hou)的(de)結(jie)(jie)果保真度對比圖。(d)(h)自(zi)旋(xuan)-電(dian)荷分布概(gai)率(lv)

　　除此之(zhi)外，研(yan)究人(ren)員將該方案擴展至最多四個(ge)費(fei)米子(zi)模式的(de)(de)量子(zi)模擬中(zhong)。如(ru)圖(tu)2所示，研(yan)究人(ren)員在(zai)四離子(zi)系統中(zhong)通過(guo)對兩(liang)個(ge)含自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)費(fei)米子(zi)模型進行編碼(ma)，分(fen)別模擬了(le)不(bu)考慮格點內相互(hu)作用(圖(tu)2a-d)和(he)考慮格點內相互(hu)作用(圖(tu)2e-h)兩(liang)種情況下的(de)(de)量子(zi)模擬結果，通過(guo)提取其中(zhong)的(de)(de)自(zi)(zi)旋(xuan)和(he)電荷分(fen)布(圖(tu)2d,h)，可以(yi)觀(guan)察到費(fei)米子(zi)的(de)(de)自(zi)(zi)旋(xuan)-電荷分(fen)離，從(cong)而驗(yan)證了(le)誤差緩解方案對于(yu)長(chang)量子(zi)線路的(de)(de)作用。

　　該工作已于12月7日以“囚禁離子系統中的(de)誤差緩解下相互(hu)作用費米子的(de)量(liang)子模擬”(Error-mitigated quantum simulation of interacting fermions with trapped ions)為題(ti)發表在《npj量(liang)子信息(xi)》(npj Quantum Information)上。

　　該(gai)論文的共同第一作者為清(qing)華物(wu)(wu)理系博士(shi)后陳(chen)文濤和中國(guo)人民大學(xue)(xue)物(wu)(wu)理系講師張(zhang)帥(shuai)寧。共同通訊作者為張(zhang)帥(shuai)寧、中國(guo)工程(cheng)物(wu)(wu)理研(yan)究(jiu)(jiu)院(yuan)(yuan)研(yan)究(jiu)(jiu)員李(li)穎、北京量子(zi)信息(xi)科學(xue)(xue)研(yan)究(jiu)(jiu)院(yuan)(yuan)副研(yan)究(jiu)(jiu)員張(zhang)靜(jing)寧與清(qing)華物(wu)(wu)理系金奇(qi)奐教授(shou)。這項研(yan)究(jiu)(jiu)得到了量子(zi)科學(xue)(xue)技術創新(xin)計劃和國(guo)家自(zi)然科學(xue)(xue)基金的資助。

　　論文鏈接：

　　//www.nature.com/articles/s41534-023-00784-8