【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】清華大學(xué)交叉信息研究院段路明課題組在離子阱量子計算領(lǐng)域取得重要實驗進(jìn)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?dāng)_誤差低于0.1%的單離子尋址操作，設(shè)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(kuò)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(chǔ)。
 

　　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(rèn)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(kuò)展離子量子比特的數(shù)量，仍是當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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?dāng)_誤差。研究人員進(jìn)而同時尋址同一行或同一列兩個目標(biāo)離子，利用對激光的相位調(diào)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(shè)計了交替尋址兩個目標(biāo)離子的量子糾纏邏輯門方案，以克服雜散光斑造成的串?dāng)_誤差，并將其應(yīng)用于斜向離子對，得到了96%的保真度。為了進(jìn)一步將該方案擴(kuò)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(yīng)可通過對尋址光功率的重新校準(zhǔn)來進(jìn)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(guān)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(xué)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(jī)”重大項目、清華大學(xué)自主科研計劃、教育部、新基石研究員項目、清華大學(xué)篤實專項、水木學(xué)者博士后研究經(jīng)費和清華大學(xué)啟動經(jīng)費的資助與支持。