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近期，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在機(jī)器學(xué)習(xí)提高超導(dǎo)量子比特讀取效率上取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平教授研究組與本源量子計(jì)算公司合作，在本源“夸父”6比特超導(dǎo)量子芯片上研究了串?dāng)_對(duì)量子比特狀態(tài)讀取的影響，并創(chuàng)新性地提出使用淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別和讀取量子比特的狀態(tài)信息，從而大幅度抑制了串?dāng)_的影響，進(jìn)一步提高了多比特讀取保真度。該成果以研究長(zhǎng)文的形式發(fā)表在國(guó)際應(yīng)用物理知名期刊《Physical Review applied》上。

對(duì)量子比特狀態(tài)的高保真度測(cè)量是量子計(jì)算中的關(guān)鍵一環(huán)。在超導(dǎo)量子計(jì)算中，對(duì)量子比特的讀取依賴于量子比特與讀取諧振腔之間的色散耦合，通過(guò)探測(cè)讀取腔的色散頻移效應(yīng)可以推測(cè)量子比特所處的狀態(tài)。近些年，國(guó)際上分別實(shí)現(xiàn)了高保真度的單比特單發(fā)讀取以及多比特的多路復(fù)用式單發(fā)讀??；然而，由于各種形式的雜散耦合的存在，鄰近比特的狀態(tài)可能會(huì)對(duì)目標(biāo)比特的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，從而降低測(cè)量保真度，進(jìn)而降低量子算法的成功率。隨著量子芯片的進(jìn)一步擴(kuò)展，為了進(jìn)一步提高讀取保真度，如何解決上述串?dāng)_問(wèn)題將成為研究者們面臨的主要挑戰(zhàn)。

圖 1傳統(tǒng)量子比特讀取方案以及串?dāng)_的影響

為了解決讀取串?dāng)_的問(wèn)題，在此之前，國(guó)際上其他課題組的主要精力集中在如何從硬件層面抑制串?dāng)_，例如為每一個(gè)量子比特的讀取腔單獨(dú)配置一個(gè)讀取濾波器，或者增大讀取腔之間的空間和頻域距離；這些方案雖然在一定程度上抑制了串?dāng)_，但是都對(duì)量子芯片的擴(kuò)展和集成產(chǎn)生了不利的影響。

圖 2第一代“夸父”6比特超導(dǎo)量子芯片結(jié)構(gòu)圖

基于這些出發(fā)點(diǎn)，我實(shí)驗(yàn)室郭國(guó)平教授研究組與本源量子計(jì)算公司合作，通過(guò)對(duì)量子比特信息提取過(guò)程的抽象和模擬，提出一種新的量子比特讀取方案：通過(guò)訓(xùn)練基于數(shù)字信號(hào)處理流程構(gòu)建的淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特狀態(tài)的精確識(shí)別與分類。研究人員將這一方案應(yīng)用到本源“夸父”6比特超導(dǎo)量子芯片上，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新的讀取方案不僅有效提升了6比特的讀取保真度，而且大幅度抑制了讀取串?dāng)_效應(yīng)。同時(shí)，由于新方案中的數(shù)據(jù)處理可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為單步矩陣運(yùn)算，未來(lái)可以直接轉(zhuǎn)移到FPGA上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特狀態(tài)的0延時(shí)判斷以及對(duì)量子比特的實(shí)時(shí)反饋控制。該方案不僅適用于超導(dǎo)量子計(jì)算，也同時(shí)適用于其他量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)方案。

圖 3用于量子比特狀態(tài)讀取與分類的淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段鵬博士和陳梓峰碩士為文章共同第一作者，郭國(guó)平教授為通訊作者。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。

????論文鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevapplied.16.024063

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）