清華新聞網12月14日電 在含噪聲中等規模量子(NISQ)體係中的量子計算一直以來都被認為是有潛力實現超越經典計算能力的應用。在這一研究領域中的核心挑戰是通過對誤差進行校準以取得高保真度的結果。概率誤差消除(PEC)方案通過對量子門的誤差進行表征和采樣，可以消除量子線路期望值中存在的錯誤，並且不需要消耗額外的量子資源，因此被認為是一種通用且係統性的方法。

　　近日，由清華大學物理係金奇奐教授領導的研究團隊進行的一項新研究展示了離子阱係統對於複雜量子線路進行誤差消除的能力。這項研究使用最多四個離子阱量子比特來對PEC進行基準測試，以提高費米-哈伯德模型量子模擬的精度。研究發現，PEC方案可以有效地提高量子線路運行的保真度，從而在實驗中成功觀測到費米子的自旋-電荷分離現象。

　　圖1.(a)雙費米子模式量子模擬線路。(b)雙比特門的準概率分解。(c)-(e)雙比特門誤差表征結果。(f)包含PEC的量子模擬線路。(g)無誤差緩解方案的實驗運行結果。(h)含誤差緩解方案的實驗運行結果。(i)不同誤差緩解步驟間的保真度對比

　　如圖1所示，在這項研究中，研究人員使用離子阱量子比特對費米-哈伯德模型進行量子編碼，並通過對其中包含的全部多比特量子門進行誤差標定，使用包含PEC在內的多種方式對量子線路進行蒙特卡洛采樣，以獲得經過誤差緩解後的線路運行結果。圖1(i)展示了應用量子誤差緩解方案後的保真度提升，可以看到量子誤差緩解方案獲得了比較明顯的效果，將線路中的平均多比特門操作保真度提高到99.75%。

　　圖2.(a)-(d)含自旋且不考慮格點內相互作用的費米子模型模擬結果。(e)-(h) 含自旋且考慮格點內相互作用的費米子模型模擬結果。(a)(e)原始數據。(b)(f)應用誤差消除方案後的實驗結果。(c)(g)使用不同誤差消除方案後的結果保真度對比圖。(d)(h)自旋-電荷分布概率

　　除此之外，研究人員將該方案擴展至最多四個費米子模式的量子模擬中。如圖2所示，研究人員在四離子係統中通過對兩個含自旋的費米子模型進行編碼，分別模擬了不考慮格點內相互作用(圖2a-d)和考慮格點內相互作用(圖2e-h)兩種情況下的量子模擬結果，通過提取其中的自旋和電荷分布(圖2d,h)，可以觀察到費米子的自旋-電荷分離，從而驗證了誤差緩解方案對於長量子線路的作用。

　　該工作已於12月7日以“囚禁離子係統中的誤差緩解下相互作用費米子的量子模擬”(Error-mitigated quantum simulation of interacting fermions with trapped ions)為題發表在《npj量子信息》(npj Quantum Information)上。

　　該論文的共同第一作者為清華物理係博士後陳文濤和中國人民大學物理係講師張帥寧。共同通訊作者為張帥寧、中國工程物理研究院研究員李穎、北京量子信息科學研究院副研究員張靜寧與清華物理係金奇奐教授。這項研究得到了量子科學技術創新計劃和國家自然科學基金的資助。

　　論文鏈接：

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