研究人员使用单个离子物种实现两种相干可转换量子比特类型

　　由Yb171离子实现的相干可转换双类型量子比特。a，一种量子比特类型编码在对磁场噪声不敏感的S（12）超精细能级中，另一种类型编码在F（72）超精细能级中。对于S量子比特和F量子比特之间的相干转换，我们使用窄带激光束同时通过中间D（52）水平000和11两个基态。b，使用聚焦激光束制备F量子比特后，抑制由于在另一个S量子比特上操作引起的串扰误差，包括状态准备，检测，门和交感冷却。图片来源：杨等
　　被俘获离子计算机是量子计算机，其中量子比特（信息的量子单位）是被电场捕获并用激光操纵的离子。为了避免附近量子比特之间的串扰，物理学家和工程师使用两种不同类型的量子比特设计这些计算机。
　　使用两种不同类型的量子比特最终使量子误差连接和量子网络的创建成为可能，从而促进了量子计算机中信息的传输。在使用的两种类型的量子比特中，一种存储和处理量子信息，另一种执行辅助操作，例如收集误差综合征测量值或执行交感冷却和光子纠缠。
　　到目前为止，大多数开发捕获离子计算机的工程师都使用两种不同类型的离子作为这两种不同的量子比特类型。然而，清华大学量子信息中心的研究人员最近表明，使用相同的离子可以产生两种不同的量子比特类型。他们的研究结果发表在《自然物理学》杂志上，可以为创建被捕获的离子量子器件开辟有趣的途径。
　　在离子阱量子计算中，辅助操作散射光子可以破坏存储在其他量子位中的量子信息，这被称为串扰误差，进行这项研究的研究人员之一LumingDuan告诉Phys。org。以前，研究人员必须使用两种离子物种来编码具有不同过渡频率的两种类型的量子比特，以抑制串扰误差。然而，随着系统规模的扩大，控制多种离子种类变得越来越困难，并且也不可能在两种离子之间相干地转换。
　　为了克服以前被捕获离子量子计算方法的局限性，段和他的同事将两种不同类型的量子比特编码在同一离子物种的不同基态流形中，它们之间没有串扰。使用这些基于相同离子物种的量子比特可以大大简化被捕获离子器件的制造，同时还可以更好地控制其量子比特。
　　我们使用Yb171离子的两对长寿命能级（超细S能级和超细F能级）实现了两种类型的量子比特，它们对环境中的磁场不敏感，段说。我们使用窄带激光束通过一对中间电平（超精细D电平）在这两种类型之间进行相干转换。量子位的两个基态使用相同的激光器同时转换，以抑制由于激光器的相位噪声引起的退相干。
　　Duan和他的同事在最初的原理验证演示中评估了他们新提出的捕获离子量子计算方法。这次演示产生了显着的结果，它们的两种类型的量子位执行重要的操作，同时保留了与相邻量子位低于0。06的串扰。
　　我们展示了两种量子比特类型之间的快速和高保真相干转换，并且我们演示了一种量子比特类型所需的操作，包括状态准备，检测，单量子比特门和交感激光冷却，另一种量子比特类型的串扰误差明显低于容错量子计算的阈值，Duan说。
　　该团队最近的研究引入了一种新的基本工具包，用于在使用相同离子物种的捕获离子量子计算机中有效实施双类型量子比特方案。在未来，该工具包可以实现大规模离子阱量子计算机和量子网络。
　　我们现在计划提高两种量子比特类型之间的转换保真度，然后将双类型量子比特方案应用于具有计算内测量和冷却的多离子量子计算设置，Duan补充道。我们还计划在离子光子量子网络中应用双类型量子比特方案来抑制串扰误差。
　　更多信息：H。X。Yang等人，实现具有相同离子物种的相干可转换双类型量子比特，自然物理学（2022）。DOI：10。1038s41567022016615
　　期刊信息：自然物理学