精密测量院实现秒级均衡相干时间的异种原子量子比特
- 2020/4/29 11:29:42 30864
- 来源：仪表网
【仪表网 仪表研发】近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员詹明生团队在异种原子量子比特的相干操控方面取得新进展。该团队首先将他们实现的魔幻光强偶极阱(MI-ODT)技术[Phys.Rev.Lett.117,123201(2016)]应用于两种原子并存的异种原子量子比特阵列，并对每一种原子分别实现了秒量级的相干时间。他们进而在MI-ODT中引入激光偏振作为一个新的调控参数，从而在同一组调控参数中达到两种原子都有较长的相干时间，实现了两种类型量子比特叠加态的相干时间均衡，并且均提升到约1 秒。
光阱阵列中的中性原子体系展现了极好的扩展性，因此在量子模拟和量子计算中有广阔的应用前景。然而在量子比特的数量扩展以后，难以避免地在量子逻辑操作和量子比特的初始化和状态读出时的串扰问题就突出出来了。一个有效避免串扰的可能的途径是利用异种原子共振频率的差异来建立异种原子量子比特体系。这样的体系既可以用于执行量子计算中不同的任务, 如其中的一种原子量子比特作为纠错码中的校验子,另一种原子作为数据量子比特,如此可能有效地执行纠错并避免串扰；也可以用于量子模拟中,因为额外的操控自由度为多组分多自旋体系的模拟提供了条件。所以异种原子体系在量子模拟、量子计算和量子精密测量等领域都有潜在的广泛的应用前景。
量子比特还没有一个明确的定义，不同的研究者采用不同的表达方式，例如，从物理学的角度，人们习惯于根据量子态的特性称为量子比特(qubit或qbit)、纠缠比特(ebit)、三重比特(tribit)、多重比特(multibit)和经典比特(cbit)等等。这种方式让人眼花缭乱，并且对量子比特的描述要根据具体的物理特性来描述。为了避免这些问题的困扰，这里从信息论的角度对量子比特做出统一的描述。
在通往异种原子量子信息的道路上，该团队已于2017年在上演示了异核两原子间的量子受控非门以及异核两原子的量子纠缠[Phys.Rev.Lett. 119,160502 (2017)]。从同种体系拓展到异种体系的另外一个关键要素是实现相干时间长且均衡的异种原子量子比特的存储，然而至今异种原子量子比特的相干性差异很大，极大地影响制备出来的异种量子纠缠态的寿命，不利于量子信息处理的执行。
近，副研究员何晓东与博士生郭瑞军等人,进一步发展了MI-ODT方法，成功地实现了异种体系两个3×3交叉排列的偏振协调的魔幻光强偶极阱阵列。异种体系原子魔幻光强囚禁技术依赖于原子的三阶交叉项系数和基态超极化率的可调谐性，而基态超极化率本质上取决于囚禁光场的圆偏振度。
如果在光的传播方向上各点的光矢量在确定的平面内，这种光被称为平面偏振光，如果光矢量的端点的轨迹为一条直线，此时的平面偏振光又称为线偏振光，光的电矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘的轨迹为一直线的偏振光[1]。当传播方向相同，振动方向相互垂直且相位差恒定为φ=(2m±1/2)π的两平面偏振光叠加后可合成光矢量有规则变化的圆偏振光。圆偏振光的电矢量大小保持不变，而方向随时间变化。相位差为φ=(2m+1/2)π时为左旋圆偏振光，相位差为φ=(2m-1/2)π时为右旋圆偏振光。
实验上，装载85Rb原子的偶极阱阵列的偏振度被精确地调整到一个确定的值，使其魔幻光强囚禁技术所需的补偿磁场等于在另一个完全圆偏振的偶极阱阵列中魔幻光强囚禁87Rb原子量子比特所需的补偿磁场。在这种偏振协调的魔幻光强偶极阱阵列中，85Rb和87Rb原子量子比特叠加态的相干时间分别提高到891±47 ms和943±35 ms。相对于原子的单量子比特和双量子比特逻辑门微秒量级的门操作时间而言，所获得的秒量级的原子内态相干时间满足了通用量子计算机判据中量子比特相干性的要求。
该研究结果是该团队发展的MI-ODT技术在异核体系中的进一步拓展和应用，突显了该原创技术在中性原子量子计算研究中的价值，为构造可扩展长相干时间的异核原子量子信息处理器又往前迈了关键的一步。
资料来源：百科、精密测量科学与技术创新研究院
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