清華新聞網(wǎng)11月14日電 清華大學(xué)交叉信息研究院段路明課題組在離子阱量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了二維離子陣列上全連通的量子糾纏邏輯門(mén)。研究人員搭建二維尋址系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了串?dāng)_誤差低于0.1%的單離子尋址操作，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了交替尋址的兩比特量子糾纏邏輯門(mén)，并演示了尋址方案的可擴(kuò)展性，為利用更大規(guī)模的二維離子陣列實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算奠定基礎(chǔ)。
離子阱系統(tǒng)由于其高保真度的量子操作和長(zhǎng)程的量子糾纏連通性等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模通用量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一，但如何擴(kuò)展離子量子比特的數(shù)量，仍是當(dāng)前研究中有待解決的重要問(wèn)題。近期，研究人員提出基于二維離子陣列的規(guī)?；桨覆?shí)現(xiàn)了300量子比特的全局量子模擬，但二維離子陣列的尋址及量子糾纏邏輯門(mén)尚未在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。
圖1.基于聲光偏轉(zhuǎn)器的二維尋址方案和實(shí)驗(yàn)所用四離子二維陣列圖像
本工作中，研究人員利用正交放置的聲光偏轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)激光的二維尋址，并通過(guò)對(duì)稱(chēng)光路實(shí)現(xiàn)四離子二維陣列中任意離子的拉曼躍遷，得到了低于0.08%的串?dāng)_誤差。研究人員進(jìn)而同時(shí)尋址同一行或同一列兩個(gè)目標(biāo)離子，利用對(duì)激光的相位調(diào)制分別得到98.6%和98.4%的兩比特量子糾纏邏輯門(mén)保真度。
圖2.利用交替尋址方案實(shí)現(xiàn)斜向離子對(duì)的兩比特量子糾纏邏輯門(mén)
為實(shí)現(xiàn)全連通的量子糾纏邏輯門(mén)，研究人員設(shè)計(jì)了交替尋址兩個(gè)目標(biāo)離子的量子糾纏邏輯門(mén)方案，以克服雜散光斑造成的串?dāng)_誤差，并將其應(yīng)用于斜向離子對(duì)，得到了96%的保真度。為了進(jìn)一步將該方案擴(kuò)展至更大規(guī)模的二維離子陣列，研究人員分析了離子微運(yùn)動(dòng)對(duì)于邏輯門(mén)的影響，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其效應(yīng)可通過(guò)對(duì)尋址光功率的重新校準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。該工作為基于二維離子陣列的大規(guī)模通用量子計(jì)算方案鋪平了道路。
圖3.離子微運(yùn)動(dòng)對(duì)兩比特量子糾纏邏輯門(mén)的影響
相關(guān)研究成果以“二維離子陣列上的全連通量子糾纏邏輯門(mén)”（Individually Addressed Entangling Gates in a Two-Dimensional Ion Crystal）為題，于11月9日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)交叉信息研究院2019級(jí)博士生侯云瀚、2021級(jí)博士生易雨瑾與助理教授吳宇?lèi)?/span>為論文共同第一作者，交叉信息研究院段路明院士為論文通訊作者。其他作者包括交叉信息研究院博士生陳躍元、張霖、許煜麟、郭世安、葉京，助理研究員祁賓祥、副研究員周子超、助理教授侯攀宇，以及華翊量子公司成員王也、張弛、梅全鑫、楊蒿翔、馬劍宇。研究得到科技創(chuàng)新2030-“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、教育部、新基石研究員項(xiàng)目、清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)、水木學(xué)者博士后研究經(jīng)費(fèi)和清華大學(xué)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助與支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53405-z
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
