清華新聞網(wǎng)1月24日電 近日,，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在雙重編碼量子比特之間量子邏輯門研究中取得重要進(jìn)展,，首次演示了在鋇離子（137Ba+）的 S1/2和 D5/2超精細(xì)能級中雙重編碼的量子比特之間的直接糾纏邏輯門。該方案可減少量子線路中雙重編碼量子比特之間轉(zhuǎn)換過程,，降低整體量子線路的復(fù)雜度,，在未來量子糾錯和離子-光子量子網(wǎng)絡(luò)中具有廣泛應(yīng)用。
離子阱是構(gòu)建大規(guī)模通用量子計算機最有前景的物理平臺之一,。在該平臺上已成功實現(xiàn)了高保真度的量子比特狀態(tài)初始化,、讀出、單量子比特門以及雙量子比特門,。截至目前,，研究組已在一維離子鏈或量子電荷耦合器件（QCCD）架構(gòu)中實現(xiàn)了數(shù)十個量子比特間的全連接，并在二維（2D）離子晶體中實現(xiàn)了對數(shù)百個量子比特的全局量子操控和單點可分辨測量,。
近期,，研究組提出了一種雙重量子比特編碼方案，該方案將兩種類型的量子比特編碼到同一種離子的兩組不同能級中,。這兩種編碼的量子比特之間可以通過激光實現(xiàn)相互相干轉(zhuǎn)換,，使得量子比特類型可根據(jù)實驗需求靈活轉(zhuǎn)換，同時保持高協(xié)同冷卻效率和低串?dāng)_誤差,。
圖1. 137Ba+離子的相關(guān)能級與打光方案,，同時展現(xiàn)復(fù)合編碼量子比特低磁場敏感性
該工作完成了雙重編碼量子比特高保真度獨立制備與探測，并演示了一種通用邏輯門方案,，可以通過拉曼躍遷使用單個激光系統(tǒng)來實現(xiàn)復(fù)合編碼量子比特之間的糾纏邏輯門,。研究組使用137Ba+離子，在S1/2和D5/2超精細(xì)能級中編碼了兩種量子比特,，并展示了在S-D離子對之間的糾纏邏輯門操作,，實現(xiàn)了96.3(4)%的糾纏態(tài)保真度，與同類型的S-S或D-D門相當(dāng),。該研究表明,，使用雙重編碼量子比特間的糾纏邏輯門，將有利于降低量子線路深度。
圖2. 復(fù)合編碼量子比特糾纏門結(jié)果（分別為ss糾纏,，dd糾纏與sd糾纏保真度結(jié)果）
該研究以“在雙重編碼量子比特之間實現(xiàn)高保真度量子糾纏門”（Experimental Realization of Direct Entangling Gates between Dual-Type Qubits）為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上,。
交叉信息研究院2021級博士生王晨曦與2021級博士生黃傳薪為論文第一作者,，交叉信息研究院周子超副研究員和段路明院士為論文通訊作者，論文共同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、胡鴻源以及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(xué)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.134.010601
供稿：交叉學(xué)院
編輯：彭穩(wěn)平
審核：黃思南
