近日,清華大學交叉信息研究院段路明教授課題組利用同種離子的雙類型量子比特編碼首次實現(xiàn)了無串擾的量子網(wǎng)絡結點,該研究對未來實現(xiàn)大規(guī)模量子網(wǎng)絡和量子計算具有重要意義。
量子網(wǎng)絡是實現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎,也是量子計算機規(guī)模化的一種重要途徑,生成離子-光子糾纏是實現(xiàn)離子阱量子網(wǎng)絡的關鍵步驟。此前,為了實現(xiàn)無串擾的離子-光子糾纏,研究人員通常采用不同種類的離子分別來產(chǎn)生離子-光子糾纏(稱為“通訊離子”)和存儲量子信息(稱為“存儲離子”),這樣可以使得通訊離子散射的光子遠失諧于存儲離子的躍遷頻率,從而抑制串擾誤差。然而,這類方案需要精細控制不同種類離子的比例和位置,且協(xié)同冷卻效率低,難以實現(xiàn)不同離子間的量子邏輯門操作。
圖1.實驗方案示意圖
為了克服上述困難,課題組提出使用同種離子的雙類型量子比特實現(xiàn)量子網(wǎng)絡結點的方案。該方案利用同種離子的兩對超精細結構能級分別編碼通訊比特和存儲比特(S-比特和F-比特),并利用411nm和3432nm的雙色窄線寬激光實現(xiàn)了兩種量子比特之間微秒量級的相干轉換。一方面,研究人員演示了利用S-比特在數(shù)百毫秒的時間尺度內(nèi)生成離子-光子糾纏;另一方面,研究人員通過自旋回波方法延長F-比特的存儲壽命,實現(xiàn)相干時間達到秒量級的存儲量子比特。通過比較有無離子-光子糾纏生成操作時存儲比特的保真度變化,研究人員證實了兩種量子比特之間低于實驗精度的串擾誤差,從而實現(xiàn)了無串擾的量子網(wǎng)絡節(jié)點。相較于之前采用不同種類離子的方案,該方案極大簡化了實驗系統(tǒng),向著未來量子計算機和量子網(wǎng)絡的模塊化邁出了重要一步。
圖2.無串擾量子網(wǎng)絡結點演示圖
近日,相關研究成果以“利用相同離子種類的雙型量子位元實現(xiàn)一個避免串擾的量子網(wǎng)絡節(jié)點”(Realization of a crosstalk-avoided quantum network node using dual-type qubits of the same ion species)為題,發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)期刊。
段路明為該論文通訊作者,清華大學交叉信息研究院博士生馮路和助理研究員黃園園為論文共同第一作者。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吳宇愷、濮云飛,副研究員周子超,助理研究員祁賓祥,博士生張霖、黃傳薪、王也,博士后張弛,華翊量子成員郭偉軒、馬劍宇、楊蒿翔、姚麟。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、清華大學篤實專項和啟動經(jīng)費等的支持。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44220-z
新聞鏈接:https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/109280.htm
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