中国科大首次在固态体系实现保真度 99.92% 的量子 CNOT 门

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室的杜江峰院士和石发展教授等研究人员，在量子操控领域取得了重要进展，他们基于金刚石氮空位（NV）色心量子比特，实现了保真度99.92%的量子CNOT门（量子受控非门），这一成果标志着固态体系在高保真度量子门操作方面取得了重大突破。

研究背景与意义

量子计算是一种利用量子力学原理进行信息处理的新型计算方式，具有超越经典计算机的巨大潜力，量子比特会不可避免地与环境发生相互作用，这极大地降低了逻辑门的保真度，对于固态量子系统更是如此，实现高保真度的量子门操作是量子计算领域的重要挑战之一。

技术细节与创新点

1、噪声模型建立：研究团队通过对噪声的细致测量，建立了一个准确且完整的噪声模型，包括静态噪声、含时噪声以及量子噪声，这一模型为后续的动力学纠错提供了基础。

2、形状脉冲设计：基于动力学纠错的思想，研究人员对形状脉冲进行了精巧的设计，使其能抵抗噪声模型中的各种磁噪声，通过这种设计，最终将磁噪声对CNOT门的影响降低了两个数量级，降至10的负4次方以下。

3、实验验证：经过实验，研究人员测得形状脉冲实现的CNOT门保真度为99.920(7)%，这一结果不仅超过了容错阈值（约99%），而且接近了可实用的大规模量子计算的要求（至少达到99.9%）。

4、剩余错误分析：研究团队还分析了剩余错误的主要来源，包括形状脉冲的失真以及电子自旋的纵向弛豫，这二者皆可在技术上被进一步消除，因此未来有望将CNOT门保真度进一步提高到99.99%以上。

应用前景与推广价值

该工作的方法是通用的，可进一步推广至其他固态体系，如硅量子点、金刚石和碳化硅中的其他缺陷、稀土掺杂系统等，这意味着这一成果不仅在金刚石NV色心量子比特上取得了成功，还有望在其他固态量子体系中得到广泛应用。

中国科学技术大学的研究团队在固态体系实现保真度99.92%的量子CNOT门方面取得了重要进展，这一成果不仅展示了量子纠错技术的潜力和应用前景，也为基于现实中不完美的设备实现通用量子计算提供了一条可行的路径，随着技术的不断进步和优化，我们有理由相信量子计算将在更多领域展现出其独特的魅力和价值。