金奇奐研究組《自然·光子學》發文 刷新單量子比特相干時間世界紀錄

2017年09月26日 瀏覽次數: 0

清華大學交叉信息院量子信息中心金奇奐副教授領導的離子阱量子計算研究組實現了擁有超過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錄，將之前的世界紀錄提高了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日發表于《自然?光子學》。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示意圖

現今量子信息技術中最重要的基礎技術是對單量子比特的相干操作和量子態探測。只有擁有了對單量子比特完整操作能力，才能夠實現量子信息的儲存、操作和讀取。科學家們經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相干操作和量子態探測的技術。金奇奐研究組此次實現了10分鐘相干時間的單量子比特系統，將之前的世界紀錄提高了10倍。雖然在離子系綜系統中早在20年前就觀察到了相近的相干時間，固體系綜系統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中觀察到如此長的相干時間。

實驗結果明確地展示了量子信息儲存技術的可行性，這成為量子計算機（尤其是基于離子阱的量子計算機）的重要組成部分。目前，離子阱技術是最接近實現大型量子計算機的技術之一。離子阱量子計算機架構由量子儲存區域和量子操作區域組成，并通過移動離子來實現兩個區域的連接。金奇奐研究組的成果毫無疑問將成為實現量子儲存區域最為關鍵的技術。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行操作，因此該成果也成為利用離子光子糾纏實現量子網絡的關鍵技術之一。

單離子系統相干時間不長的主要原因是加熱。在沒有激光冷卻的環境下，離子被環境噪聲加熱，從而降低了量子態探測的效率。此項研究在實驗中利用協同冷卻技術解決加熱的問題，用138Ba+離子冷卻171Yb+離子（量子比特離子）。由于138Ba+離子擁有和171Yb+離子相似的質量，協同冷卻效果顯著。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，所以協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解耦操作以抵抗環境的磁場噪聲，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到99.99%。最終研究組制備了6個初始量子態，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，其它四個態的相干時間為667?± ?17?秒。

6個不同初始態的相干時間測量結果

此項研究工作的實驗系統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、嚴馬可和出站博士后廉茶鉉采集數據。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研究發展計劃和國家自然科學基金支持。

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