清華新聞網(wǎng)9月23日電 近日，清華大學交叉信息研究院段路明院士離子量子計算研究組在高核自旋離子量子比特的聲子基態(tài)冷卻方案上取得重要實驗進展：首次在核自旋為3/2的137Ba+離子中實現(xiàn)電磁感應(yīng)透明（EIT）冷卻。該方案使用EIT效應(yīng)中類法諾（Fano）線型的光譜設(shè)計，可以實現(xiàn)在寬頻率范圍內(nèi)同時冷卻所有聲子模式。此方案可以適用于具有相似核自旋結(jié)構(gòu)（I＞1/2）的大規(guī)模離子晶格, 為高核自旋離子在未來規(guī)模化離子量子計算中的應(yīng)用解決了一個重要障礙。
離子阱是一個強大而多功能的平臺，在量子信息處理（QIP）、精密光譜學和基礎(chǔ)物理測試等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。為了實現(xiàn)高保真量子信息處理，研究人員需要將離子的相關(guān)運動模式冷卻到盡可能低的溫度。電磁感應(yīng)透明（EIT）冷卻可以提供較快的冷卻速率和較寬的冷卻帶寬，同時保持了較低低冷卻極限（nˉ≈0.1），使其成為大離子晶體量子計算和量子模擬的合適冷卻方法。然而，對于在低或中等磁場下具有高核自旋I＞1/2的離子，由于難以找到孤立的Λ能級結(jié)構(gòu)，如何實現(xiàn)有效的EIT冷卻是具有挑戰(zhàn)性的。
圖1.137Ba+的相關(guān)能級與打光方案
該工作中，研究人員演示了用137Ba+離子（I=3/2）進行EIT冷卻。研究人員修改了用于量子比特狀態(tài)初始化的激光設(shè)置，以在開放系統(tǒng)中執(zhí)行EIT冷卻。盡管在EIT冷卻過程中S態(tài)所有zeeman能級都涉及到動力學，但EIT泵浦光束同時作為再泵浦光束，將所有態(tài)保持在冷卻子空間中。研究人員在實驗上將單個137Ba+離子的兩種徑向模式聲子分別冷卻到0.08和0.15。通過使用相同的激光參數(shù)，研究人員進一步將五個離子鏈的所有徑向模式冷卻到接近基態(tài)。
圖2. 單離子與五離子冷卻結(jié)果
研究介紹了一種適用于在低磁場下具有高核自旋的離子種類的EIT冷卻方案，并成功在單個137Ba+離子和五離子鏈上實現(xiàn)了該方案，獲得了遠低于多普勒冷卻的平均聲子數(shù)極限。此方案可以自然地拓展到其他具有高核自旋的離子/原子種類，并且可為大規(guī)模高核自旋離子晶體提供有效的冷卻機制。
相關(guān)研究成果以“高核自旋離子的電磁誘導透明冷卻”（Electromagnetically Induced Transparency Cooling of High-Nuclear-Spin Ions）為題，于9月13日發(fā)表于《物理評論快報》（Physics Review Letters）。
清華大學交叉信息研究院2021級博士生黃傳薪、王晨曦為論文第一作者，交叉信息研究院副研究員周子超和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助理教授吳宇愷、侯攀宇，博士生張泓軒、胡鴻源、王祖卿、李世蛟，華翊量子公司成員毛志超博士。研究得到科技創(chuàng)新2030—“量子通信與量子計算機”重大項目、新基石研究員項目、清華大學篤實專項和啟動經(jīng)費的資助與支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.113204
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
