Forskere realiserer to sammenhængende konverterbare qubit-typer ved hjælp af en enkelt ionart

Fangede ioncomputere er kvantecomputere, hvor qubits (kvanteenheder af information) er ioner fanget af elektriske felter og manipuleret med lasere. For at undgå krydstale mellem nærliggende qubits designer fysikere og ingeniører disse computere ved hjælp af to forskellige typer qubits.

Brugen af ​​to forskellige typer qubits muliggør i sidste ende kvantefejlforbindelse og skabelsen af ​​kvantenetværk, som letter transmissionen af ​​information i kvantecomputere. Af de to typer anvendte qubits lagrer og behandler den ene kvanteinformation, og den anden udfører hjælpeoperationer, såsom indsamling af fejlsyndrommålinger eller udførelse af sympatisk afkøling og fotonisk sammenfiltring.

Hidtil har de fleste ingeniører, der udvikler fangede ion-computere, brugt to forskellige arter af ioner som disse to forskellige qubit-typer. Forskere ved Tsinghua University's Center for Quantum Information har dog for nylig vist, at to forskellige qubit-typer kunne skabes ved hjælp af den samme ionart. Deres resultater, offentliggjort i Nature Physics , kunne åbne interessante veje for skabelsen af ​​fangede ion kvanteenheder.

"I ionfælde-kvanteberegning spreder hjælpeoperationer fotoner, der kan ødelægge kvanteinformationen, der er lagret i andre qubits, som er kendt som crosstalk-fejlen," fortalte Luming Duan, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Tidligere måtte forskerne bruge to ionarter til at indkode de to typer qubits, som har forskellige overgangsfrekvenser, for at undertrykke krydstalefejlen. Det er dog stadig sværere at kontrollere flere ionarter, efterhånden som systemet skaleres op, og det er også umuligt. at konvertere sammenhængende mellem to arter af ioner."

For at overvinde begrænsningerne ved tidligere fangede ion-kvanteberegningsmetoder, kodede Duan og hans kolleger de to forskellige typer qubits i forskellige grundtilstandsmanifolder af den samme ionart, som ikke havde nogen krydstale mellem dem. Brugen af ​​disse qubits baseret på de samme ion-arter kunne i høj grad forenkle fremstillingen af ​​fangede ion-enheder, samtidig med at det tillader større kontrol over dets qubits.

"Vi indså de to typer qubits ved hjælp af to par langlivede energiniveauer (hyperfine S-niveauer og hyperfine F-niveauer) af Yb-171-ionen, der er ufølsomme over for det magnetiske felt i miljøet)," sagde Duan. "Vi konverterer sammenhængende mellem disse to typer ved hjælp af smalbåndslaserstråler gennem et par mellemniveauer (hyperfine D-niveauer. De to basistilstande af qubit'en konverteres samtidigt ved hjælp af den samme laser for at undertrykke dekohærensen på grund af fasestøjen fra laser."

Duan og hans kolleger evaluerede deres nyligt foreslåede tilgang til fanget ion kvanteberegning i en indledende proof-of-princip demonstration. Denne demonstration gav bemærkelsesværdige resultater, hvor deres to typer qubits udførte vigtige operationer, mens de bibeholdt krydstale med tilstødende qubits under 0,06 %.

"Vi demonstrerer hurtig og high-fidelity kohærent konvertering mellem de to qubit-typer, og vi demonstrerer de nødvendige operationer på én qubit-type, herunder tilstandsforberedelse, detektion, single-qubit-gates og sympatisk laserkøling, med en krydstalefejl på den anden qubit type significantly below the threshold of fault-tolerant quantum computing," Duan said.

The recent study by this team of researchers introduces a new basic toolkit for effectively implementing the dual-type qubit scheme in trapped ion quantum computers using the same ion species. In the future, this toolkit could enable the implementation of large-scale ion trap quantum computers and quantum networks.

"We now plan to improve the conversion fidelity between the two qubit types, and then apply the dual-type qubit scheme to the multi-ion quantum computing setup with in-computation measurements and cooling," Duan added. "We also plan to apply the dual-type qubit scheme in ion-photon quantum network to suppress the crosstalk error." + Udforsk yderligere

En sammenfiltret tilstand på tre qubit er blevet realiseret i et fuldt kontrollerbart array af spin-qubits i silicium

© 2022 Science X Network