Koherent konvertibla qubits av dubbeltyp implementerade av Yb-171-joner. a, En qubit-typ är kodad i S_(1/2) hyperfinnivåerna som är okänsliga för magnetfältsbrus, och den andra typen i F_(7/2) hyperfinnivåerna. För koherent omvandling mellan S-qubit och F-qubit överför vi de två bastillstånden |0⟩↔|0^'⟩ och |1⟩↔|1^'⟩ samtidigt med användning av smalbandiga laserstrålar genom den mellanliggande D_(5) /2) nivåer. b, Efter att ha förberett en F-qubit med användning av fokuserade laserstrålar, undertrycks överhörningsfelet på grund av operationer på en annan S-qubit, inklusive tillståndsförberedelse, detektering, grindar och sympatisk kylning. Kredit:Yang et al.
Fångade jondatorer är kvantdatorer där qubits (kvantenheter av information) är joner som fångas av elektriska fält och manipuleras med lasrar. För att undvika överhörning mellan närliggande qubits designar fysiker och ingenjörer dessa datorer med två olika typer av qubits.
Användningen av två olika typer av kvantbitar möjliggör i slutändan kvantfelsanslutning och skapandet av kvantnätverk, som underlättar överföringen av information i kvantdatorer. Av de två typerna av qubits som används lagrar och bearbetar den ena kvantinformationen och den andra utför hjälpoperationer, såsom insamling av felsyndrommätningar eller utförandet av sympatisk kylning och fotonisk intrassling.
Hittills har de flesta ingenjörer som utvecklat fångade jondatorer använt två olika arter av joner som dessa två olika qubit-typer. Forskare vid Tsinghua Universitys Center for Quantum Information har dock nyligen visat att två olika qubit-typer kan skapas med samma jonart. Deras resultat, publicerade i Nature Physics , skulle kunna öppna intressanta vägar för skapandet av fångade jonkvantenheter.
"I jonfälla kvantberäkningar sprider hjälpoperationer fotoner som kan förstöra kvantinformationen som är lagrad i andra kvantbitar, vilket är känt som överhörningsfelet", säger Luming Duan, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Tidigare var forskare tvungna att använda två jonarter för att koda de två typerna av qubits, som har olika övergångsfrekvenser, för att undertrycka överhörningsfelet. Att kontrollera flera jonarter blir dock allt svårare när systemet skalas upp, och det är också omöjligt. att konsekvent konvertera mellan två arter av joner."
För att övervinna begränsningarna med tidigare metoder för kvantberäkning av fångade joner, kodade Duan och hans kollegor de två olika typerna av qubits i olika grundtillståndsgrenrör av samma jonart, som inte hade någon överhörning mellan dem. Användningen av dessa qubits baserade på samma jonspecies kan avsevärt förenkla tillverkningen av fångade jonenheter, samtidigt som det ger större kontroll över dess qubits.
"Vi insåg de två typerna av qubits med två par långlivade energinivåer (hyperfina S-nivåer och hyperfina F-nivåer) av Yb-171-jonen som är okänsliga för magnetfältet i miljön)," sa Duan. "Vi konverterar koherent mellan dessa två typer med smalbandiga laserstrålar genom ett par mellannivåer (hyperfina D-nivåer. De två bastillstånden för qubiten konverteras samtidigt med samma laser för att undertrycka dekoherensen på grund av fasbruset från laser."
Duan och hans kollegor utvärderade deras nyligen föreslagna tillvägagångssätt för kvantberäkning av fångade joner i en första demonstration av principbevis. Denna demonstration gav anmärkningsvärda resultat, med deras två typer av qubits som utför viktiga operationer samtidigt som de bibehöll överhörning med intilliggande qubits under 0,06 %.
"Vi demonstrerar snabb och högfientlig koherent omvandling mellan de två qubit-typerna, och vi demonstrerar de nödvändiga operationerna på en qubit-typ, inklusive tillståndsberedning, detektering, single-qubit-grindar och sympatisk laserkylning, med ett överhörningsfel på den andra qubiten typ betydligt under tröskeln för feltolerant kvantberäkning," sa Duan.
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." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
