金奇奐研究組《自然·光子學(xué)》發(fā)文 刷新單量子比特相干時間世界紀(jì)錄
金奇奐研究組《自然·光子學(xué)》發(fā)文 刷新單量子比特相干時間世界紀(jì)錄
2017年09月26日 瀏覽次數(shù): 0
清華大學(xué)交叉信息院量子信息中心金奇奐副教授領(lǐng)導(dǎo)的離子阱量子計算研究組實現(xiàn)了擁有超過10分鐘相干時間的單量子比特儲存（量子信息技術(shù)中的基本單元），這是目前為止單量子比特相干時間的世界紀(jì)錄，將之前的世界紀(jì)錄提高了10倍。此工作的研究論文Single-qubit quantum memory exceeding ten-minute coherence time（《相干時間超過10分鐘的單量子比特儲存》）于9月25日發(fā)表于《自然?光子學(xué)》。本文第一作者為量子信息中心博士生汪野，共同通訊作者為出站博士后廉茶鉉和金奇奐長聘副教授。
離子阱量子儲存系統(tǒng)示意圖
現(xiàn)今量子信息技術(shù)中最重要的基礎(chǔ)技術(shù)是對單量子比特的相干操作和量子態(tài)探測。只有擁有了對單量子比特完整操作能力，才能夠?qū)崿F(xiàn)量子信息的儲存、操作和讀取。科學(xué)家們經(jīng)過二十多年探索和實驗才慢慢掌握了在單量子比特級別實現(xiàn)相干操作和量子態(tài)探測的技術(shù)。金奇奐研究組此次實現(xiàn)了10分鐘相干時間的單量子比特系統(tǒng)，將之前的世界紀(jì)錄提高了10倍。雖然在離子系綜系統(tǒng)中早在20年前就觀察到了相近的相干時間，固體系綜系統(tǒng)中近期也觀察到了更長的相干時間，但此項研究工作是第一次在單量子系統(tǒng)中觀察到如此長的相干時間。
實驗結(jié)果明確地展示了量子信息儲存技術(shù)的可行性，這成為量子計算機(jī)（尤其是基于離子阱的量子計算機(jī)）的重要組成部分。目前，離子阱技術(shù)是最接近實現(xiàn)大型量子計算機(jī)的技術(shù)之一。離子阱量子計算機(jī)架構(gòu)由量子儲存區(qū)域和量子操作區(qū)域組成，并通過移動離子來實現(xiàn)兩個區(qū)域的連接。金奇奐研究組的成果毫無疑問將成為實現(xiàn)量子儲存區(qū)域最為關(guān)鍵的技術(shù)。同時，由于離子光子糾纏過程具有不確定性，為了保證足夠小的誤差，需要很長相干時間的離子進(jìn)行操作，因此該成果也成為利用離子光子糾纏實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
單離子系統(tǒng)相干時間不長的主要原因是加熱。在沒有激光冷卻的環(huán)境下，離子被環(huán)境噪聲加熱，從而降低了量子態(tài)探測的效率。此項研究在實驗中利用協(xié)同冷卻技術(shù)解決加熱的問題，用138Ba+離子冷卻171Yb+離子（量子比特離子）。由于138Ba+離子擁有和171Yb+離子相似的質(zhì)量，協(xié)同冷卻效果顯著。又因為138Ba+離子的冷卻激光波長距離影響171Yb+量子比特的波長很遠(yuǎn)，所以協(xié)同冷卻過程不會影響量子比特的相干性。同時研究組施加了上千個動態(tài)解耦操作以抵抗環(huán)境的磁場噪聲，從而延長相干時間。該研究工作的單量子比特操作保真度達(dá)到99.99%。最終研究組制備了6個初始量子態(tài)，并測量了它們的相干時間。如下圖所示，|↑?和|↓?的相干時間為4,740?± ?1,760?秒，其它四個態(tài)的相干時間為667?± ?17?秒。
6個不同初始態(tài)的相干時間測量結(jié)果
此項研究工作的實驗系統(tǒng)由量子信息中心博士生汪野、出站博士后廉茶鉉搭建；博士生汪野、嚴(yán)馬可和出站博士后廉茶鉉采集數(shù)據(jù)。博士生張君華、安碩明、本科生呂銘、助理研究員張靜寧、姚期智講座教授段路明教授提供理論支持。研究成果得到國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃和國家自然科學(xué)基金支持。
論文全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-017-0007-1.epdf?author_access_token=Wue794TclIZq1RJz-cRuIdRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0Oa-alZStUfdQeyVj4caj8YvMkAbOdPoGeSrXjLswho3ZSnRz-o8P2LWrnBVDHW5-Zts3Sr3LI8T2wiL1VDac2Fn9O1hhFI7LpG8wXMFFmH4w%3D%3D
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