清華新聞網(wǎng)10月4日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子信息處理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，通過(guò)對(duì)優(yōu)化選擇的少量離子進(jìn)行激光冷卻，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)離子鏈的高效協(xié)同冷卻，獲得接近全局激光冷卻的極限溫度，為多離子比特量子計(jì)算準(zhǔn)備了技術(shù)基礎(chǔ)。
離子阱體系是目前實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算、量子模擬的主要技術(shù)路線(xiàn)之一。當(dāng)前離子阱體系的一個(gè)重要的誤差來(lái)源，是離子受到環(huán)境電磁噪聲影響或與真空腔中殘余的氣體分子碰撞而被加熱。為了提高量子計(jì)算的線(xiàn)路深度以及量子模擬所能研究的時(shí)間尺度，離子需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持低溫、穩(wěn)定的狀態(tài)。但是直接對(duì)全體離子進(jìn)行激光冷卻，將會(huì)破壞其內(nèi)部能級(jí)編碼的量子比特信息。因此，實(shí)驗(yàn)中需要采用協(xié)同冷卻的方法，通過(guò)激光的頻率或空間位置來(lái)選擇性地冷卻部分離子，并通過(guò)這些“冷卻離子”來(lái)使其它編碼量子比特的“數(shù)據(jù)離子”維持低溫。
離子阱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與多離子集體振動(dòng)模式示意圖
此前，在離子阱系統(tǒng)中僅實(shí)現(xiàn)過(guò)小規(guī)模離子陣列的協(xié)同冷卻。為了進(jìn)行大規(guī)模的量子計(jì)算和量子模擬，需要進(jìn)一步增加系統(tǒng)中的離子數(shù)。而隨著離子陣列的規(guī)模擴(kuò)大，多離子的集體振動(dòng)模式也變得越來(lái)越復(fù)雜，使得通過(guò)少數(shù)離子進(jìn)行協(xié)同冷卻的效率降低。在這項(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)分析一維長(zhǎng)離子鏈的集體振動(dòng)模式，優(yōu)化設(shè)計(jì)出最佳的若干個(gè)相鄰的“冷卻離子”，對(duì)整個(gè)離子鏈進(jìn)行協(xié)同冷卻。研究人員還從實(shí)驗(yàn)上演示了該方案，利用兩個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的相鄰“冷卻離子”，對(duì)8到28個(gè)離子的一維離子鏈進(jìn)行了高效的協(xié)同冷卻，達(dá)到了接近全局多普勒冷卻極限的冷卻效果。該實(shí)驗(yàn)對(duì)于保持大規(guī)模離子陣列的穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)未來(lái)的大規(guī)模量子計(jì)算和量子模擬，具有重要意義。
測(cè)量協(xié)同冷卻的動(dòng)力學(xué)過(guò)程
該成果的研究論文《實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)囚禁離子晶格上的多離子協(xié)同冷卻》（Experimental Realization of Multi-ion Sympathetic Cooling on a Trapped Ion Crystal）刊發(fā)于物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。該論文共同第一作者為交叉信息研究院博士生毛志超和許鈺梓，通訊作者為段路明教授、吳宇?lèi)鹬斫淌诤椭茏映毖芯繂T。其他作者包括交叉信息研究院博士生梅全鑫、趙文定、姜越，實(shí)驗(yàn)員常秀英，副研究員何麗、姚麟，以及北京大學(xué)物理學(xué)院本科生王玉（現(xiàn)為哈佛大學(xué)物理系博士研究生）。
該工作得到了北京量子信息研究院、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、清華大學(xué)水木學(xué)者計(jì)劃和博士后國(guó)際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目的資助與支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.143201
供稿：交叉信息研究院
編輯：李華山
審核：呂婷
