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清华团队实现可相干转换的双重量子比特编码,成功解决大规模离子阱量子计算领域一关键难题

4 年前,段路明教授辞去美国密歇根大学费米讲席教授职位,全职加入清华大学交叉信息研究院。4 年一晃过去,近年来他继续深耕量子计算机和量子网络,截止目前其论文总被引 34284 次,h-index 指数 76。(来源:段路明个人主页)
    2022 年,他还成立了一家量子计算机公司。左手科研,右手产业。近日,段路明课题组又有新成果诞生。
他和团队利用同一种离子首次实现了能快速相干转换的双重量子比特编码,对于基于离子阱系统的量子纠错和容错量子计算来说,可为其提供一种新型重要工具。具体可应用于大规模离子阱量子计算,包括量子纠错、量子网络搭建、协同冷却等。
   
审稿人评价称:“这项工作所展示的极低错误率与快速相干转换操作,为大规模量子纠错提供了有力的工具。”

    据介绍,在某些特定问题上相比经典计算,量子计算具有显著加速。而量子计算优势的体现,需要一定的比特数规模和量子线路深度。
    一方面,目前单个芯片或单个离子阱中的量子比特数目较少,而量子网络可将多个网络节点相互连接,从而扩大比特数规模。

另一方面,由于周围环境的影响,人们在操控量子比特时总会存在错误。随着操控次数的增加,错误也会逐渐累积,最终导致结果完全不可信。

但是,只要单步操作的错误小于一定阈值,通过量子纠错和容错量子计算,总能以任意精度接近正确结果。

为了实现量子网络和量子纠错,需要两种类型的量子比特:一种用于计算和存储,称为数据量子比特;另一种用于状态探测、协同冷却、离子-光子纠缠等辅助操作,称为辅助量子比特。这两种量子比特相互之间必须无串扰。

对于离子阱量子计算来说,辅助操作释放的光子会破坏近邻离子上存储的信息,从而产生串扰错误。此前,人们采用两种不同的离子、或同一种离子的不同同位素,来编码两种量子比特,以消除上述串扰错误。

但是,当把该方案扩展到大规模量子比特系统时,会存在诸多困难:一是控制系统复杂度大;二是由于质量差异,不同种类离子之间的高保真度逻辑门制备难度大,协同冷却的效率低;三是随着比特数增加,调控两种离子的位置分布将变得又难又耗时。

而该团队利用基于同一种离子的双重量子比特编码来解决上述困难。具体来说,其利用 Yb-171 离子的两对超精细结构能级,来编码两种类型量子比特。

这两类量子比特处于不同的长寿命能级上,巨大的频率差使得两类量子比特之间的串扰可以被有效避免。

在实验中,研究人员观察到,当进行辅助量子比特的操作时,对数据量子比特产生的串扰错误小于 0.06%,显著低于容错阈值 1%

并且,其利用同步转移的方法,实现了两类量子比特之间的快速相干转换。同步转移方法指的是,利用双色窄线宽激光,让两对量子比特基矢间的转移得以同步完成,借此可以有效避免激光噪声给转移保真度带来的影响。

而快速相干转换的能力,让课题组得以具备极大的灵活性,从而能对两类量子比特的位置分布和数量比例,分别做出自主可控的调控。

近日,相关论文以《基于同一种离子的可相干转换的双重量子比特编码的实验实现 》(Realizing coherently convertible dual-type qubits with the same ion species)为题发在 Nature Physics 上。

段路明担任通讯作者,他的两位学生——清华大学交叉信息研究院博士后杨蒿翔和交叉信息研究院 2018 级博士生马剑宇为共同第一作者。目前,杨蒿翔在华翊量子公司担任 CTO段路明则是该公司的创始人兼首席科学家。

审稿过程中,该工作还得到了如下评价:“(作者)所提供的新思路,在有效减小硬件复杂度的同时,还解决了不同种类离子质量差异所带来的问题;他们系统且直接地证明了该方案对串扰错误的有效压制。”

苏黎世联邦理工学院量子中心的科尼利厄斯·亨佩尔(Cornelius Hempel)教授在同期 Nature Physics 新闻与评述栏目,撰文推介了此次成果。其评价称:“他们利用单一离子种类实现了可相干转换的双重量子比特编码,提供了更为简洁的路线来消除串扰······其基于两离子的系统,取得了令人印象深刻的结果,证明了在一种量子比特上的辅助操作,在近邻的另一种量子比特上的串扰错误低于 0.06%。”

打造具备实用价值的通用量子计算平台

据介绍,段路明担任主任的清华大学量子信息中心,在量子计算领域具有雄厚的科研实力,致力于打造出具备实用价值的通用量子计算平台。

目前,该中心正着眼于解决量子计算平台所面临的可扩展性问题。一方面正努力扩大实验平台的比特数规模,另一方面着手于解决加深量子线路深度等问题。

量子纠错和容错量子计算,可以保证量子线路的深度,是大规模量子计算的必由之路。对于离子阱量子计算来说,如何在量子纠错过程中避免串扰错误,是必须解决的问题。

以往,基于两种不同类型离子的方案,其可扩展性比较差。因此,该团队亟需找到一种高度灵活的、具备可扩展性的串扰消除方案。

经过一番寻索,他们找到了这一方案:即基于同一离子种类的双重量子比特编码,在有效消除串扰的同时,能避免混合离子方案的各种弊端。

确认研究方案之后,接下来则要搭建实验平台。清华量子计算中心在离子阱实验方面有深厚的积淀。基于前人的经验,论文一作杨蒿翔和合作者马剑宇,顺利完成了离子阱系统的搭建与性能测试。

与此同时,其也在等待定制激光器的到达。在他们的方案中,需要使用 411 纳米和 3432 纳米波长的激光,来实现量子态相干的转换。目前在市面上,无法买到现成的商用大功率 3432 纳米激光器,只能特殊定制。

为此,课题组设计了激光器的制造方案,交由激光器厂家生产。激光器到货之后,开始对其基本性能进行测定,并对频率进行锁定,以便压缩其线宽。

然后,便是实验研究。当实验平台搭建完成,相关参数也满足要求之后,该团队开始着手采集实验数据。

而实验过程也可分为三个阶段。第一阶段是在在同一种离子中,对两种量子比特进行编码,并分别对其性能进行标定。

具体来说,研究人员利用 Yb-171 离子的 S-能级和 F-能级,分别编码了两类量子比特,并对如下数据进行测量:其初态制备与状态测量保真度、单比特逻辑门操作保真度、以及量子比特相干时间等。测试之后,确定这两类量子比特符合量子计算的要求。

第二阶段是实现两类量子比特之间的快速相干转换。课题组首先尝试了分步转移的方案,即先后执行针对两对量子比特基矢间的转移。结果显示,转移错误率远大于容错阈值。

通过分析发现,量子比特基矢间的相对相位信息,在转移过程出现丢失现象,其原因是转移激光的线宽过大,导致了退相干现象。

于是,该团队转而采用同步转移方案,即让两对量子比特基矢间的转移,采取同步完成的方式。此时,激光相位噪声只会引入一个全局的错误,而量子比特基矢之间的相对相位信息,并不会受到影响。最终,课题组实现了 99.5% 保真度的(单次)相干转移。

第三阶段则是验证如下内容:基于同一离子种类的双重量子比特编码,对于串扰错误的压制。

其使用两个 Yb-171 离子来完成这个实验:一个离子制备成数据量子比特(处于 F-能级),另一个离子制备成辅助量子比特(处于 S-能级)。

通过对辅助量子比特进行激光冷却、状态测量、单比特逻辑门等操作,然后测量数据量子比特上信息的丢失。结果显示,串扰错误低于 0.06%

“揭开新事物的面纱,让我们很激动”

科研的过程,也是一个探索未知的历程。很多想法在原理上可行,但在付诸实践时,总会遇到各种难题。

比如,在实现两种类型量子比特相干转换的过程中,该团队发现量子比特信息的分步转移,会导致激光相位噪声进入量子比特,从而会影响转换的保真度。

为解决该问题,课题组提出了使用双色窄线宽激光、来同步转移量子比特信息的创新方案。

“揭开新事物的面纱也让我们非常高兴和激动,比如 3432 纳米激光是一种远红外的激光,由于其波长的特殊性,不仅在激光器的制造上没有成熟的经验,而且该波长的一些光学探测设备也相对不完善,因此在光路的搭建以及信号探测上颇具挑战。当我们成功看到 3432 纳米激光激发离子的跃迁信号时,我们由衷地欣赏自己所作的工作,并为此感到自豪。” 马剑宇表示。

接下来,其将继续提升相干转移保真度。由于单次量子纠错需要执行多次相干转移,因此对转移保真度有着更高的要求。

为了提升转移保真度,研究人员需要进一步压缩转移激光的线宽,或者使用一些更加鲁棒的复合脉冲序列,来减小实验参数慢漂的影响。

同时,其还计划实现不同种类量子比特之间的纠缠态。对于量子纠错来说,其需要制备辅助量子比特与数据量子比特之间的纠缠态。而通过直接探测辅助量子的比特状态,即可间接地获取数据量子比特上的错误信息,以做出后续修正。
    具体来说,为了实现两种量子比特之间的纠缠态,可以先将两个离子制备成同一种量子比特。当纠缠态制备成功后,将其中一个离子相干转换成另一种量子比特。
    基于此,该团队将在多离子系统中尝试量子纠错实验的演示。同时,其也将利用本方案去实现基于光子-离子纠缠的量子网络。

发布日期:2022926

来源: DeepTech深科技

发布日期: 2022-09-29 浏览: 34