清華新聞網(wǎng)1月31日電 離子阱系統(tǒng)是量子信息研究的熱門(mén)領(lǐng)域之一，擁有相干時(shí)間長(zhǎng)、量子門(mén)保真度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于量子計(jì)算與量子模擬。目前絕大多數(shù)離子阱量子信息處理都在一維離子鏈上完成，而二維離子晶體可大幅提升離子阱系統(tǒng)的可拓展性并用于探索新奇二維量子物理。過(guò)去十年間，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)多次嘗試將離子阱拓展到二維，然而受限于微振動(dòng)等問(wèn)題一直未能實(shí)現(xiàn)。
近日，清華大學(xué)物理系金奇奐教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的一項(xiàng)新研究首次證明了二維離子晶體可用于量子信息處理。該研究基于團(tuán)隊(duì)自研的離子阱芯片囚禁二維離子晶體，并通過(guò)電磁誘導(dǎo)透明將鐿離子（171Yb+）冷卻到聲子數(shù)小于1，隨后在由4、7、10個(gè)離子組成的二維離子晶體上進(jìn)行了量子模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)絕熱地降低橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度成功制備了伊辛（Ising）模型的基態(tài)。
圖1.（a）離子阱芯片結(jié)構(gòu)示意圖（b）離子阱芯片的掃描電鏡圖像（c）裝配在真空腔中的離子阱芯片
研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)控制芯片電極的電壓，對(duì)離子晶體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以將微振動(dòng)旋轉(zhuǎn)到與操作激光垂直的方向，此時(shí)由于離子的微振動(dòng)與激光方向垂直，從而不會(huì)通過(guò)多普勒效應(yīng)在激光上引起相位噪聲，使得高質(zhì)量量子操作變得可能。為了實(shí)現(xiàn)這一操作，研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年從零開(kāi)始設(shè)計(jì)了一款可精確調(diào)節(jié)離子晶體角度的芯片型離子阱，并在2020年首次完成了離子晶體角度調(diào)節(jié)的演示實(shí)驗(yàn)。
圖2.（a）7離子構(gòu)成的二維離子晶體的振動(dòng)能譜（b,c,f,g）通過(guò)調(diào)節(jié)失諧制備帶有阻挫的相互作用基態(tài)：（b,f）為絕熱演化曲線(xiàn)（c,g）為基態(tài)布居數(shù)（d,e）為基態(tài)分區(qū)磁化的絕熱演化曲線(xiàn)與基態(tài)布居數(shù)（h）通過(guò)逆向絕熱演化制備回到初態(tài)以驗(yàn)證量子相干性
研究團(tuán)隊(duì)在由四個(gè)離子構(gòu)成的二維離子晶體上進(jìn)行了量子模擬實(shí)驗(yàn)，以對(duì)量子模擬得到的基態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證。研究人員分別選用了離子晶體的質(zhì)心模和鋸齒形（zig-zag）模式進(jìn)行了絕熱演化模擬，并對(duì)絕熱演化的時(shí)間演化曲線(xiàn)和終態(tài)布居數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。研究人員發(fā)現(xiàn)絕熱演化后得到的量子態(tài)與理論預(yù)期一致，在質(zhì)心模中得到了鐵磁相互作用的基態(tài)，所有自旋都傾向于朝向相同方向；在鋸齒形模式中得到了反鐵磁相互作用的基態(tài)，相鄰的自旋傾向于朝向相反方向，驗(yàn)證了絕熱演化過(guò)程的可靠性。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變失諧對(duì)七個(gè)離子構(gòu)成的二維離子晶體的相互作用進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別實(shí)現(xiàn)基態(tài)帶有阻挫和分區(qū)磁化的相互作用，并通過(guò)絕熱演化成功制備了基態(tài)，演示了二維離子晶體用于量子模擬的可調(diào)節(jié)性。同時(shí)，研究人員還通過(guò)逆向絕熱演化將已經(jīng)制備的基態(tài)再次演化到初態(tài)，并通過(guò)其與未經(jīng)絕熱演化的初態(tài)的高度重合驗(yàn)證了整個(gè)過(guò)程的量子相干性。
相關(guān)研究成果于1月26日以“基于保羅阱中二維離子晶體的自旋模型可調(diào)量子模擬”（Tunable quantum simulation of spin models with a two-dimensional ion crystal）為題，發(fā)表于《自然·物理》（Nature Physics）期刊上。
清華大學(xué)物理系博士生喬木與金奇奐為該論文的通訊作者，喬木為該論文的第一作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)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/s41567-023-02378-9
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
