中國科大實現時間最優量子控制

　　近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室在量子控制研究領域取得新進展：該實驗室的榮星和耿建培等在固態自旋體系中實現時間最優量子控制，研究成果發表在10月19日出版的《物理評論快報》上[Physical Review Letters 117, 170501 (2016)]。美國物理學會網站Physics Synopsis欄目將該成果作為亮點報道。

　　量子控制是現代量子科學的基礎，在量子計算、量子精密測量等領域具有重要意義。中科院微觀磁共振重點實驗室一直致力于精確量子控制的實驗研究，他們在2014年實現了精度高達0.996的單比特量子操作[Physical Review Letters 112,050503(2014)]；隨后實現了達到容錯量子計算要求的普適量子邏輯門，其中的單比特操作精度達到0.999952，兩比特操作精度達到0.992 [Nature Communications 6,8748(2015)]。在此基礎上，他們進一步考慮如何以最快的方式實現精確量子控制。

　　日常生活中，我們常關心如何最快地到達某個地方，這類以“最快”為目標的問題在科學研究中被稱為“時間最優”問題。對時間最優問題的研究始于300多年前約翰·伯努利提出的最速降線問題。量子版本的時間最優問題則關心如何將量子系統在最短時間內驅動到目標狀態，即實現時間最優的量子控制。隨著量子信息科學等領域的發展，時間最優量子控制引起了廣泛關注，并取得了一系列的理論研究成果。2007年，量子最速降線方程被提出，為一大類的時間最優量子控制問題提供了理論框架。2015年，美國MIT教授Seth Lloyd組針對多比特量子系統發展了有效求解量子最速降線方程的數值方法。然而，國際上時間最優量子控制的實驗研究還只局限于單量子比特系統。

　　杜江峰團隊與理論合作者王曉霆，將求解時間最優控制問題的理論方法與具體的量子物理體系相結合，發展了實現普適量子控制的時間最優控制方法，并在金剛石NV色心體系上實驗實現。研究結果表明，無論是單比特還是兩比特量子操作，不僅操作精度高達99%，而且操作時間比常規實現方法顯著縮短。這項研究工作證實了以時間最優的方式實現精確量子控制的可行性，為多比特量子體系的時間最優控制奠定了基礎。這意味著未來量子計算可以在單位時間內實現更多的高精度量子邏輯門，因而具有重要的應用前景。

　　 上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院和教育部的支持。

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