清華新聞網(wǎng)1月10日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授課題組利用同種離子的雙類型量子比特編碼首次實(shí)現(xiàn)了無串?dāng)_的量子網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，該研究對(duì)未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算具有重要意義。
量子網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是量子計(jì)算機(jī)規(guī)模化的一種重要途徑，生成離子-光子糾纏是實(shí)現(xiàn)離子阱量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵步驟。此前，為了實(shí)現(xiàn)無串?dāng)_的離子-光子糾纏，研究人員通常采用不同種類的離子分別來產(chǎn)生離子-光子糾纏（稱為“通訊離子”）和存儲(chǔ)量子信息（稱為“存儲(chǔ)離子”），這樣可以使得通訊離子散射的光子遠(yuǎn)失諧于存儲(chǔ)離子的躍遷頻率，從而抑制串?dāng)_誤差。然而，這類方案需要精細(xì)控制不同種類離子的比例和位置，且協(xié)同冷卻效率低，難以實(shí)現(xiàn)不同離子間的量子邏輯門操作。
圖1.實(shí)驗(yàn)方案示意圖
為了克服上述困難，課題組提出使用同種離子的雙類型量子比特實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的方案。該方案利用同種離子的兩對(duì)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)分別編碼通訊比特和存儲(chǔ)比特（S-比特和F-比特），并利用411nm和3432nm的雙色窄線寬激光實(shí)現(xiàn)了兩種量子比特之間微秒量級(jí)的相干轉(zhuǎn)換。一方面，研究人員演示了利用S-比特在數(shù)百毫秒的時(shí)間尺度內(nèi)生成離子-光子糾纏；另一方面，研究人員通過自旋回波方法延長F-比特的存儲(chǔ)壽命，實(shí)現(xiàn)相干時(shí)間達(dá)到秒量級(jí)的存儲(chǔ)量子比特。通過比較有無離子-光子糾纏生成操作時(shí)存儲(chǔ)比特的保真度變化，研究人員證實(shí)了兩種量子比特之間低于實(shí)驗(yàn)精度的串?dāng)_誤差，從而實(shí)現(xiàn)了無串?dāng)_的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。相較于之前采用不同種類離子的方案，該方案極大簡化了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，向著未來量子計(jì)算機(jī)和量子網(wǎng)絡(luò)的模塊化邁出了重要一步。
圖2.無串?dāng)_量子網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)演示圖
近日，相關(guān)研究成果以“利用相同離子種類的雙型量子位元實(shí)現(xiàn)一個(gè)避免串?dāng)_的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)”（Realization of a crosstalk-avoided quantum network node using dual-type qubits of the same ion species）為題，發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。????
段路明為該論文通訊作者，清華大學(xué)交叉信息研究院博士生馮路和助理研究員黃園園為論文共同第一作者。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吳宇愷、濮云飛，副研究員周子超，助理研究員祁賓祥，博士生張霖、黃傳薪、王也，博士后張弛，華翊量子成員郭偉軒、馬劍宇、楊蒿翔、姚麟。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)專項(xiàng)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44220-z
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
