近日，北京量子信息科学研究院/清华大学金奇奂教授团队，在离子阱量子误差缓解研究方面取得新进展，利用离子阱系统展示了多种量子误差缓解技术对复杂量子线路进行误差消除的能力。2023年12月7日，该成果以《囚禁离子系统中的误差缓解的相互作用费米子的量子模拟》（Error-mitigated quantum simulation of interacting fermions with trapped ions）为题发表在《npj Quantum Information》上。

含噪中等规模量子(NISQ)计算一直以来都被认为有潜力实现超越经典计算能力的应用。在这一研究领域中的核心任务之一是通过对带误差的结果进行分析和后处理以取得高保真度的结果。概率误差消除(PEC)方案通过对受误差影响的量子门进行表征和对错误操作的非物理的逆操作进行随机采样，可以消除错误对量子线路期望值的影响。这种方法不需要消耗额外的量子资源，被认为是一种通用且系统性的方法。

近日，研究团队进行的一项新研究展示了离子阱系统对于复杂量子线路进行误差消除的能力。这项研究使用最多四个离子阱量子比特来模拟费米-哈伯德模型的动力学演化，从而对PEC的效果进行测试。研究发现，PEC方案可以有效地提高量子线路运行保真度，在实验中成功观测到费米子的自旋-电荷分离现象。

图1 (a)双费米子模式量子模拟线路。(b)双比特门的准概率分解。(c)-(e)双比特门误差表征结果。(f)包含PEC的量子模拟线路。(g)无误差缓解方案的实验运行结果。(h)含误差缓解方案的实验运行结果。(i)不同误差缓解步骤间的保真度对比。

如图1所示，在这项研究中，研究人员使用量子线路来模拟费米-哈伯德模型的动力学演化，并通过对其中包含的全部多比特量子门进行误差标定，使用包含PEC在内的多种方式对量子线路进行蒙特卡洛采样，以获得经过误差缓解后的线路运行结果。图1(i)展示了应用量子误差缓解方案后的保真度提升，可以看到量子误差缓解方案获得了比较明显的效果，将线路中的平均多比特门操作保真度提高到99.75%。

图2 (a)-(d)含自旋且不考虑格点内相互作用的费米子模型模拟结果。(e)-(h) 含自旋且考虑格点内相互作用的费米子模型模拟结果。(a)(e)原始数据。(b)(f)应用误差消除方案后的实验结果。(c)(g)使用不同误差消除方案后的结果保真度对比图。(d)(h)自旋-电荷分布概率。

此外，研究人员将该方案扩展至最多四个费米子模式的量子模拟中（如图2所示）。在四离子系统中通过对格点数为2的含自旋的费米子模型进行编码，分别模拟了不考虑格点内相互作用(图2a-d)和考虑格点内相互作用(图2e-h)两种情况下的量子模拟结果，通过提取其中的自旋和电荷分布(图2d,h)，可以观察到费米子的自旋-电荷分离，从而验证了误差缓解方案对于长量子线路的作用。

该成果的共同第一作者为清华物理系博士后陈文涛和北京量子院兼聘助理研究员/中国人民大学物理系讲师张帅宁。共同通讯作者为张帅宁，中国工程物理研究院研究员李颖，北京量子院副研究员张静宁与清华大学物理系教授金奇奂。此项工作得到量子科学技术创新计划和国家自然科学基金的资助。

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