Forscher realisieren zwei kohärent umwandelbare Qubit-Typen unter Verwendung einer einzigen Ionenart

Trapped-Ion-Computer sind Quantencomputer, bei denen die Qubits (Quanteneinheiten von Informationen) Ionen sind, die von elektrischen Feldern eingefangen und mit Lasern manipuliert werden. Um ein Übersprechen zwischen benachbarten Qubits zu vermeiden, entwerfen Physiker und Ingenieure diese Computer mit zwei verschiedenen Arten von Qubits.

Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Arten von Qubits ermöglicht schließlich die Quantenfehlerverbindung und die Schaffung von Quantennetzwerken, die die Übertragung von Informationen in Quantencomputern erleichtern. Von den beiden verwendeten Qubit-Typen speichert und verarbeitet der eine Quanteninformationen und der andere führt Hilfsoperationen durch, wie z. B. die Erfassung von Fehlersyndrommessungen oder die Ausführung von sympathetischer Kühlung und photonischer Verschränkung.

Bisher haben die meisten Ingenieure, die Computer mit eingeschlossenen Ionen entwickeln, zwei verschiedene Arten von Ionen als diese zwei verschiedenen Qubit-Typen verwendet. Forscher des Zentrums für Quanteninformation der Tsinghua-Universität haben jedoch kürzlich gezeigt, dass zwei verschiedene Qubit-Typen mit derselben Ionenart erzeugt werden können. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Naturphysikkönnten interessante Wege für die Schaffung von Quantengeräten mit eingeschlossenen Ionen eröffnen.

„Beim Ionenfallen-Quantencomputing streuen Hilfsoperationen Photonen, die die in anderen Qubits gespeicherte Quanteninformation zerstören können, was als Übersprechfehler bekannt ist“, sagte Luming Duan, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Früher mussten Forscher zwei Ionenarten verwenden, um die beiden Arten von Qubits zu codieren, die unterschiedliche Übergangsfrequenzen haben, um den Übersprechfehler zu unterdrücken. Die Kontrolle mehrerer Ionenarten wird jedoch mit zunehmender Skalierung des Systems immer schwieriger und auch unmöglich kohärent zwischen zwei Arten von Ionen umzuwandeln.“

Um die Einschränkungen früherer Quantencomputing-Ansätze mit eingeschlossenen Ionen zu überwinden, codierten Duan und seine Kollegen die zwei verschiedenen Arten von Qubits in verschiedenen Grundzustands-Mannigfaltigkeiten derselben Ionenart, die kein Übersprechen zwischen ihnen aufwiesen. Die Verwendung dieser Qubits, die auf derselben Ionenart basieren, könnte die Herstellung von Vorrichtungen mit eingeschlossenen Ionen erheblich vereinfachen und gleichzeitig eine bessere Kontrolle über ihre Qubits ermöglichen.

„Wir haben die zwei Arten von Qubits realisiert, indem wir zwei Paare langlebiger Energieniveaus (hyperfeine S-Niveaus und hyperfeine F-Niveaus) des Yb-171-Ions verwendet haben, die gegenüber dem Magnetfeld in der Umgebung unempfindlich sind“, sagte Duan. „Wir wandeln kohärent zwischen diesen beiden Typen um, indem wir schmalbandige Laserstrahlen durch ein Paar Zwischenniveaus (Hyperfein-D-Niveaus) verwenden. Die beiden Basiszustände des Qubits werden gleichzeitig mit demselben Laser umgewandelt, um die Dekohärenz aufgrund des Phasenrauschens zu unterdrücken Laser.“

Duan und seine Kollegen bewerteten ihren neu vorgeschlagenen Ansatz für das Quantencomputing mit eingeschlossenen Ionen in einer ersten Prinzipnachweis-Demonstration. Diese Demonstration führte zu bemerkenswerten Ergebnissen, da ihre beiden Arten von Qubits wichtige Operationen ausführen und gleichzeitig das Übersprechen mit benachbarten Qubits unter 0,06 % halten.

„Wir demonstrieren eine schnelle und hochgenaue kohärente Umwandlung zwischen den beiden Qubit-Typen und wir demonstrieren die erforderlichen Operationen an einem Qubit-Typ, einschließlich Zustandsvorbereitung, Erkennung, Einzel-Qubit-Gatter und sympathetischer Laserkühlung, mit einem Übersprechfehler am anderen Qubit Typ deutlich unter der Schwelle von fehlertolerantem Quantencomputing“, sagte Duan.

Die jüngste Studie dieses Forscherteams stellt ein neues grundlegendes Toolkit zur effektiven Implementierung des dualen Qubit-Schemas in Quantencomputern mit eingeschlossenen Ionen unter Verwendung derselben Ionenart vor. In Zukunft könnte dieses Toolkit die Implementierung von großen Ionenfallen-Quantencomputern und Quantennetzwerken ermöglichen.

„Wir planen jetzt, die Konvertierungstreue zwischen den beiden Qubit-Typen zu verbessern und dann das duale Qubit-Schema auf das Multi-Ionen-Quantencomputer-Setup mit In-Computation-Messungen und Kühlung anzuwenden“, fügte Duan hinzu. „Wir planen auch, das duale Qubit-Schema im Ionen-Photonen-Quantennetzwerk anzuwenden, um den Übersprechfehler zu unterdrücken.“

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