中国科大实现在动态物理背景场中对固态自旋进行时间最优控制 2024-11-06

中国科学技术大学物理学院、中科院量子信息重点实验室孙方稳教授与西班牙合作者利用动态物理背景场，有效减少固态自旋调控中施加控制场的能耗，实现快速高保真度量子调控。相关成果以“Time-optimal control of a solid-state spin amidst dynamical quantum wind”为题2024年11月5日发表在国际学术期刊《npj quantum information》上。

在量子技术领域，环境噪声会迅速降低量子相干操作保真度，因此有效设计量子系统的时间最优控制方案至关重要。尽管Carlini及其同事早在 2006 年就提出了时间最优量子控制理论，但由于数值方法在控制哈密顿量的受限形式下求解量子最速降线方程的效率低下，其应用受到限制。因此，对于浸没在外部物理场或势中的量子系统，进一步扩展时间最优控制理论在理论和实验层面都提出了更大的挑战，尤其是在外部场通常是时变的实际场景中。

孙方稳课题组的工作引入了一种开创性的时间最优控制方法，有效地克服了量子最速降线方程中固有的边界值问题，同时为控制哈密顿量结构提供了灵活性。值得注意的是，在存在时间依赖的环境哈密顿量的情况下，课题组实现了时间最优的量子信息处理，这是前所未有的。我们通过展示如何利用瞬态环境哈密顿量来加速量子态调控和量子门操作，突出了控制方案的优势。对于绝热控制，我们展示了在不明显偏离绝热路径的情况下超越Mandelstam-Tamm 量子速度极限，使得我们的方法可以与无跃迁驱动协议进行比拟。

图1 外部物理背景场下的时间最优量子相干调控的原理与实验实现

此外，这种新的量子相干控制方法可以与各种脉冲调制优化方法兼容，例如动态解耦、基于 Magnus 展开的动力学纠错量子门操作、Floquet最优控制或基于机器学习的优化技术。这突显了时间最优方案在量子计算、模拟和传感应用中增强传统量子门控制的潜力。采用我们的控制方案具有显著的优势，包括提高信噪比、带宽和灵敏度，因为缩短的协议时间可实现更快速的量子操作。此外，具有优化能耗的快速量子计算可以减少微波场的热效应，从而促进固态量子处理器的可扩展性。

论文的第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员董杨博士。该工作得到了科技创新2030重大项目、中国科学与稳定支持基础研究领域青年团队项目、国家自然科学基金、前沿科学重点研究计划、江苏科技厅重点研发计划等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-024-00912-y