清華新聞網(wǎng)8月9日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組利用同種離子首次實(shí)現(xiàn)了可以相干轉(zhuǎn)換的雙重量子比特編碼，以克服量子計(jì)算過(guò)程中多比特之間串?dāng)_的影響，該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在各種量子操控過(guò)程中系統(tǒng)的串?dāng)_誤差均顯著低于量子糾錯(cuò)所要求的閾值?？朔?dāng)_的影響是實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)和大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵要求，段路明研究組的突破為基于離子阱系統(tǒng)的容錯(cuò)量子計(jì)算提供了重要工具。
離子阱系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)最有希望的系統(tǒng)之一，對(duì)于離子量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，擁有兩種相互間無(wú)串?dāng)_的量子比特類(lèi)型至關(guān)重要：一種比特類(lèi)型用于計(jì)算和存儲(chǔ)，稱(chēng)為“數(shù)據(jù)比特”；另一種比特類(lèi)型用于測(cè)量、協(xié)同冷卻、離子-光子糾纏等輔助操作，稱(chēng)為“輔助比特”。
為了避免在輔助操作過(guò)程中輔助比特自發(fā)輻射的光子破壞附近的數(shù)據(jù)比特中儲(chǔ)存的量子信息，此前的離子阱量子計(jì)算研究需要采用兩種不同種類(lèi)的離子分別擔(dān)任這兩種類(lèi)型的量子比特，但實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)離子之間的高保真度量子糾纏邏輯門(mén)極具挑戰(zhàn)，且隨著離子陣列規(guī)模的擴(kuò)大，調(diào)控兩種類(lèi)型離子的分布及位置并實(shí)現(xiàn)協(xié)同冷卻也愈發(fā)困難。
實(shí)驗(yàn)方案示意圖
為了克服上述困難，段路明研究組在實(shí)驗(yàn)上利用同種離子的兩對(duì)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)分別編碼了這兩種類(lèi)型的量子比特（S-qubit和F-qubit），利用411nm和3432nm的雙色窄線(xiàn)寬激光實(shí)現(xiàn)了兩種量子比特之間保真度99.5%的微秒量級(jí)相干轉(zhuǎn)換，并演示了對(duì)其中一種量子比特進(jìn)行初態(tài)制備、測(cè)量、單比特邏輯門(mén)、激光冷卻等操作時(shí)，另一種量子比特的串?dāng)_錯(cuò)誤率小于0.06%，低于容錯(cuò)量子計(jì)算約1%的錯(cuò)誤率閾值。該技術(shù)解決了未來(lái)大規(guī)模離子量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)。
測(cè)定兩種類(lèi)型量子比特相干轉(zhuǎn)換保真度實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
該成果論文“利用同種離子實(shí)現(xiàn)可相干轉(zhuǎn)換的雙重量子比特”（Realizing coherently convertible dual-type qubits with the same ion species）近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·物理》（Nature Physics）發(fā)表。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科尼利厄斯·亨佩爾（Cornelius Hempel）教授在同期的《自然·物理》新聞與評(píng)述欄目專(zhuān)文推介此成果論文。
該論文通訊作者為清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授。清華大學(xué)交叉信息研究院博士后楊蒿翔和交叉信息研究院2018級(jí)博士生馬劍宇為文章共同第一作者。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吳宇?lèi)?、交叉信息研究?019級(jí)博士生王也、交叉信息研究院2018級(jí)博士生曹明明、郭偉軒、馮路、交叉信息研究院助理研究員黃園園以及副研究員周子超。該工作得到了清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和國(guó)家教育部基金的資助與支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01661-5
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：呂婷
