清華新聞網(wǎng)1月24日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在雙重編碼量子比特之間量子邏輯門(mén)研究中取得重要進(jìn)展，首次演示了在鋇離子（137Ba+）的 S1/2和 D5/2超精細(xì)能級(jí)中雙重編碼的量子比特之間的直接糾纏邏輯門(mén)。該方案可減少量子線(xiàn)路中雙重編碼量子比特之間轉(zhuǎn)換過(guò)程，降低整體量子線(xiàn)路的復(fù)雜度，在未來(lái)量子糾錯(cuò)和離子-光子量子網(wǎng)絡(luò)中具有廣泛應(yīng)用。
離子阱是構(gòu)建大規(guī)模通用量子計(jì)算機(jī)最有前景的物理平臺(tái)之一。在該平臺(tái)上已成功實(shí)現(xiàn)了高保真度的量子比特狀態(tài)初始化、讀出、單量子比特門(mén)以及雙量子比特門(mén)。截至目前，研究組已在一維離子鏈或量子電荷耦合器件（QCCD）架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)量子比特間的全連接，并在二維（2D）離子晶體中實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)百個(gè)量子比特的全局量子操控和單點(diǎn)可分辨測(cè)量。
近期，研究組提出了一種雙重量子比特編碼方案，該方案將兩種類(lèi)型的量子比特編碼到同一種離子的兩組不同能級(jí)中。這兩種編碼的量子比特之間可以通過(guò)激光實(shí)現(xiàn)相互相干轉(zhuǎn)換，使得量子比特類(lèi)型可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活轉(zhuǎn)換，同時(shí)保持高協(xié)同冷卻效率和低串?dāng)_誤差。
圖1. 137Ba+離子的相關(guān)能級(jí)與打光方案，同時(shí)展現(xiàn)復(fù)合編碼量子比特低磁場(chǎng)敏感性
該工作完成了雙重編碼量子比特高保真度獨(dú)立制備與探測(cè)，并演示了一種通用邏輯門(mén)方案，可以通過(guò)拉曼躍遷使用單個(gè)激光系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合編碼量子比特之間的糾纏邏輯門(mén)。研究組使用137Ba+離子，在S1/2和D5/2超精細(xì)能級(jí)中編碼了兩種量子比特，并展示了在S-D離子對(duì)之間的糾纏邏輯門(mén)操作，實(shí)現(xiàn)了96.3(4)%的糾纏態(tài)保真度，與同類(lèi)型的S-S或D-D門(mén)相當(dāng)。該研究表明，使用雙重編碼量子比特間的糾纏邏輯門(mén)，將有利于降低量子線(xiàn)路深度。
圖2. 復(fù)合編碼量子比特糾纏門(mén)結(jié)果（分別為ss糾纏，dd糾纏與sd糾纏保真度結(jié)果）
該研究以“在雙重編碼量子比特之間實(shí)現(xiàn)高保真度量子糾纏門(mén)”（Experimental Realization of Direct Entangling Gates between Dual-Type Qubits）為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
交叉信息研究院2021級(jí)博士生王晨曦與2021級(jí)博士生黃傳薪為論文第一作者，交叉信息研究院周子超副研究員和段路明院士為論文通訊作者，論文共同作者包括交叉信息研究院助理教授吳宇?lèi)?、侯攀宇，博士生張泓軒、胡鴻源以及華翊量子公司成員毛志超博士。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、新基石研究員項(xiàng)目、清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助與支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.010601
供稿：交叉學(xué)院
編輯：彭穩(wěn)平
審核：黃思南
