研究背景与意义
量子信息处理不同于经典信息处理，而是采用了0和1的叠加态，能指数式提高存储容量和运算速度，将带来新一代信息革命。超导量子比特因其基于固态电路，便于控制、集成和扩展等优势，虽然起步较晚，但已被公认为是最具潜力的量子信息处理方案之一，受到广泛关注，近年来更是得到了快速的研究和发展。目前已有研究小组在实验上演示了一个、两个超导量子比特的相干操控，证明了其作为量子信息处理在原则上的可行性。但是，由于量子比特容易受外界干扰导致退相干，为了保证计算结果的准确性，计算过程中必须进行量子纠错，而三个量子比特的相干操控和纠缠是量子纠错的基础，是实现实用量子计算亟待解决的主要问题之一，因此这一课题已成为国际上的攻关目标。然而，每增加一个量子比特都是一个里程碑式的工作，是一个非常重要而又艰巨的工程。
核心突破
南京大学电子科学与工程学院孙国柱教授团队联合美国堪萨斯大学Siyuan Han教授，首次攻克了这一难关。该小组在超导量子比特系统中，实现了超导量子比特与其中的两个微观两能级系统（TLS）的耦合，这种耦合形成了能级的免交叉。量子态来回通过这些免交叉时，将发生干涉现象。此类免交叉的作用相当于光学中的分光镜，而且这些分光镜对量子态的反射和投射率，完全可以通过外加的扫过免交叉的扫描速率来控制。该小组利用一个简单的三角波扫描和Landau-Zener隧穿效应，就实现了Landau-Zener-Stückelberg量子干涉，精确调控了量子态跃迁，从而在超导量子比特系统中，首次在实验上实现了对包含三个量子比特的固态量子系统的相干操控。该方案改变了之前由于超导量子比特退相干时间较短、缺乏高精度的调控手段的历史，可以用于制备量子信息处理中非常重要的三比特纠缠态W态，成为量子信息处理的实用化进程上的重大突破，是一个新的里程碑。同时，超导量子比特作为宏观量子系统，其多比特的纠缠在量子力学的基础研究方面也有着极其重要的意义。该小组的实验结果和基于量子力学机制的理论计算结果完美吻合，很好的验证了量子力学在宏观系统中的表现。
图文导读
图1：三比特体系结构与能级谱
(a) 超导相位量子比特电路（含Josephson结、磁通偏置线、微波线、dc-SQUID读出）。(b) 量子比特双阱势与|0⟩、|1⟩能级示意图。(c) Josephson结绝缘层内TLS微观模型及其|g⟩、|e⟩态。(d) 实测能级谱：清晰可见两个免交叉（avoided crossing），对应量子比特与TLS₁、TLS₂的强耦合，形成三比特体系。
图2：Landau-Zener-Stückelberg干涉实验图样
(a) 实测|1⟩布居数随三角波宽度T与幅度ΦLZS的二维彩图，呈现三区域鲜明干涉条纹。(b-c) 理论计算的I区、II区相干干涉条纹，与实验完美符合。(d) 物理图像：两个免交叉M₁、M₂充当可调量子分束器，三角波控制扫速即控制分束比，实现三路径量子干涉。
图3：数值模拟与广义W态制备
(a) 全参数Bloch方程数值模拟干涉图样，与实验高度一致。(b) 不同T与ΦLZS下的截线对比（实验点vs理论线）。(c) M₁、M₂的Landau-Zener跃迁概率随脉宽振荡，解释“热斑”起源。(d) 广义W态权重w随T、ΦLZS分布图，w=1区域即成功制备等权重三比特广义W态。
论文信息
成果以“Tunable quantum beam splitters for coherent manipulation of a solid-state tripartite qubit system”为题，发表于国际顶级期刊《Nature Communications》
文献来源
Guozhu Sun*, Xueda Wen, Bo Mao, Jian Chen, Yang Yu*, Peiheng Wu & Siyuan Han*. “Tunable quantum beam splitters for coherent manipulation of a solid-state tripartite qubit system” Nat. Commun. 1, 51 (2010)
DOI: 10.1038/ncomms1050