清華新聞網(wǎng)11月14日電 清華大學交叉信息研究院段路明課題組在離子阱量子計算領域取得重要實驗進展，首次實現(xiàn)了二維離子陣列上全連通的量子糾纏邏輯門。研究人員搭建二維尋址系統(tǒng)實現(xiàn)了串擾誤差低于0.1%的單離子尋址操作，設計實現(xiàn)了交替尋址的兩比特量子糾纏邏輯門，并演示了尋址方案的可擴展性，為利用更大規(guī)模的二維離子陣列實現(xiàn)通用量子計算奠定基礎。
離子阱系統(tǒng)由于其高保真度的量子操作和長程的量子糾纏連通性等優(yōu)勢，被認為是最有希望實現(xiàn)大規(guī)模通用量子計算的實驗平臺之一，但如何擴展離子量子比特的數(shù)量，仍是當前研究中有待解決的重要問題。近期，研究人員提出基于二維離子陣列的規(guī)模化方案并實現(xiàn)了300量子比特的全局量子模擬，但二維離子陣列的尋址及量子糾纏邏輯門尚未在實驗中實現(xiàn)。
圖1.基于聲光偏轉器的二維尋址方案和實驗所用四離子二維陣列圖像
本工作中，研究人員利用正交放置的聲光偏轉器實現(xiàn)激光的二維尋址，并通過對稱光路實現(xiàn)四離子二維陣列中任意離子的拉曼躍遷，得到了低于0.08%的串擾誤差。研究人員進而同時尋址同一行或同一列兩個目標離子，利用對激光的相位調制分別得到98.6%和98.4%的兩比特量子糾纏邏輯門保真度。
圖2.利用交替尋址方案實現(xiàn)斜向離子對的兩比特量子糾纏邏輯門
為實現(xiàn)全連通的量子糾纏邏輯門，研究人員設計了交替尋址兩個目標離子的量子糾纏邏輯門方案，以克服雜散光斑造成的串擾誤差，并將其應用于斜向離子對，得到了96%的保真度。為了進一步將該方案擴展至更大規(guī)模的二維離子陣列，研究人員分析了離子微運動對于邏輯門的影響，實驗驗證了其效應可通過對尋址光功率的重新校準來進行補償。該工作為基于二維離子陣列的大規(guī)模通用量子計算方案鋪平了道路。
圖3.離子微運動對兩比特量子糾纏邏輯門的影響
相關研究成果以“二維離子陣列上的全連通量子糾纏邏輯門”（Individually Addressed Entangling Gates in a Two-Dimensional Ion Crystal）為題，于11月9日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學交叉信息研究院2019級博士生侯云瀚、2021級博士生易雨瑾與助理教授吳宇愷為論文共同第一作者，交叉信息研究院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博士生陳躍元、張霖、許煜麟、郭世安、葉京，助理研究員祁賓祥、副研究員周子超、助理教授侯攀宇，以及華翊量子公司成員王也、張弛、梅全鑫、楊蒿翔、馬劍宇。研究得到科技創(chuàng)新2030-“量子通信與量子計算機”重大項目、清華大學自主科研計劃、教育部、新基石研究員項目、清華大學篤實專項、水木學者博士后研究經(jīng)費和清華大學啟動經(jīng)費的資助與支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53405-z
供稿：交叉信息研究院
題圖設計：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
