金奇奂研究组《自然·光子学》发文 刷新单量子比特相干时间世界纪录

2017年09月26日 浏览次数: 0

清华大学交叉信息院量子信息中心金奇奂副教授领导的离子阱量子计算研究组实现了拥有超过10分钟相干时间的单量子比特储存（量子信息技术中的基本单元），这是目前为止单量子比特相干时间的世界纪录，将之前的世界纪录提高了10倍。此工作的研究论文Single-qubit quantum memory exceeding ten-minute coherence time（《相干时间超过10分钟的单量子比特储存》）于9月25日发表于《自然•光子学》。本文第一作者为量子信息中心博士生汪野，共同通讯作者为出站博士后廉茶铉和金奇奂长聘副教授。

离子阱量子储存系统示意图

现今量子信息技术中最重要的基础技术是对单量子比特的相干操作和量子态探测。只有拥有了对单量子比特完整操作能力，才能够实现量子信息的储存、操作和读取。科学家们经过二十多年探索和实验才慢慢掌握了在单量子比特级别实现相干操作和量子态探测的技术。金奇奂研究组此次实现了10分钟相干时间的单量子比特系统，将之前的世界纪录提高了10倍。虽然在离子系综系统中早在20年前就观察到了相近的相干时间，固体系综系统中近期也观察到了更长的相干时间，但此项研究工作是第一次在单量子系统中观察到如此长的相干时间。

实验结果明确地展示了量子信息储存技术的可行性，这成为量子计算机（尤其是基于离子阱的量子计算机）的重要组成部分。目前，离子阱技术是最接近实现大型量子计算机的技术之一。离子阱量子计算机架构由量子储存区域和量子操作区域组成，并通过移动离子来实现两个区域的连接。金奇奂研究组的成果毫无疑问将成为实现量子储存区域最为关键的技术。同时，由于离子光子纠缠过程具有不确定性，为了保证足够小的误差，需要很长相干时间的离子进行操作，因此该成果也成为利用离子光子纠缠实现量子网络的关键技术之一。

单离子系统相干时间不长的主要原因是加热。在没有激光冷却的环境下，离子被环境噪声加热，从而降低了量子态探测的效率。此项研究在实验中利用协同冷却技术解决加热的问题，用138Ba+离子冷却171Yb+离子（量子比特离子）。由于138Ba+离子拥有和171Yb+离子相似的质量，协同冷却效果显著。又因为138Ba+离子的冷却激光波长距离影响171Yb+量子比特的波长很远，所以协同冷却过程不会影响量子比特的相干性。同时研究组施加了上千个动态解耦操作以抵抗环境的磁场噪声，从而延长相干时间。该研究工作的单量子比特操作保真度达到99.99%。最终研究组制备了6个初始量子态，并测量了它们的相干时间。如下图所示，|↑⟩和|↓⟩的相干时间为4,740 ±  1,760 秒，其它四个态的相干时间为667 ±  17 秒。

6个不同初始态的相干时间测量结果

此项研究工作的实验系统由量子信息中心博士生汪野、出站博士后廉茶铉搭建；博士生汪野、严马可和出站博士后廉茶铉采集数据。博士生张君华、安硕明、本科生吕铭、助理研究员张静宁、姚期智讲座教授段路明教授提供理论支持。研究成果得到国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金支持。

论文全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-017-0007-1.epdf?author_access_token=Wue794TclIZq1RJz-cRuIdRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0Oa-alZStUfdQeyVj4caj8YvMkAbOdPoGeSrXjLswho3ZSnRz-o8P2LWrnBVDHW5-Zts3Sr3LI8T2wiL1VDac2Fn9O1hhFI7LpG8wXMFFmH4w%3D%3D