清華新聞網(wǎng)3月1日電 玻色子系統(tǒng)是量子計(jì)算研究的熱門(mén)領(lǐng)域之一，具有包括解決量子化學(xué)問(wèn)題，增強(qiáng)隨機(jī)算法和量子機(jī)器學(xué)習(xí)方法等一系列潛在的應(yīng)用。目前大多數(shù)玻色子系統(tǒng)是由使用帶有光子的光學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)建的，但由于光子系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，包括光子損失、非確定性生成和光子狀態(tài)檢測(cè)效率較低等問(wèn)題，研究人員正在尋找新的替代平臺(tái)。
近日，由清華大學(xué)物理系金奇奐教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一項(xiàng)新研究展示了離子阱系統(tǒng)構(gòu)建可擴(kuò)展和可編程聲子網(wǎng)絡(luò)的潛力。該研究提出，囚禁離子的量子化運(yùn)動(dòng)模式的聲子可以作為實(shí)現(xiàn)玻色子網(wǎng)絡(luò)的替代品。研究發(fā)現(xiàn)，一維離子鏈的集體運(yùn)動(dòng)模式不易受均勻電場(chǎng)噪聲的影響，在大多數(shù)情況下允許聲子數(shù)守恒。
圖1(a)玻色子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。(b)四模式聲子網(wǎng)絡(luò)示意圖；(c)聲子態(tài)制備方案；(d)聲子分束器實(shí)現(xiàn)方案；(e)聲子態(tài)檢測(cè)方案
通過(guò)使用來(lái)自于五個(gè)離子的四種集體運(yùn)動(dòng)模式，該團(tuán)隊(duì)能夠展示一個(gè)包含所有基本操作的聲子網(wǎng)絡(luò)（圖1b）。通過(guò)控制離子的載波和邊帶操作，每個(gè)模式中的聲子態(tài)都可以被確定性地準(zhǔn)備（圖1c）和檢測(cè)（圖1e）。同時(shí)，任何兩種不同模式之間的分束器（圖1d）也可以通過(guò)對(duì)耦合強(qiáng)度最大的離子使用拉曼躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且分束器的旋轉(zhuǎn)角度和相位可以通過(guò)兩束拉曼光的持續(xù)時(shí)間和相對(duì)相位來(lái)控制。
圖2. (a)單聲子態(tài)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(b)雙聲子態(tài)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
研究人員使用典型的層析成像算法對(duì)具有固定聲子總數(shù)的任意多模態(tài)的性能進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，并獲得了單聲子（圖2a）和雙聲子入射態(tài)（圖2b）的高重構(gòu)保真度。該研究結(jié)果展示了一條清晰的途徑，可以擴(kuò)展用于量子信息處理的聲子網(wǎng)絡(luò)，并突破經(jīng)典和光子系統(tǒng)的一部分技術(shù)限制。該研究為量子計(jì)算和量子技術(shù)的進(jìn)步開(kāi)辟了新的可能性。
該研究于2月27日以“可擴(kuò)展可編程的捕獲離子聲子網(wǎng)絡(luò)”（Scalable and Programmable Phononic Network with Trapped Ions）為題發(fā)表在《自然·物理》（Nature Physics）上。該論文的通訊作者為清華大學(xué)物理系2017級(jí)博士生陳文濤，帝國(guó)理工大學(xué)M.S. Kim教授與清華物理系金奇奐教授、博士生陳文濤為論文的第一作者。該研究得到了量子科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-023-01952-5
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
