量子计算新突破：创下无激光方案双比特门保真度的世界纪录

光子盒研究院出品

多量子比特的通用控制——纠缠量子比特和执行任意单个量子比特操作的能力——是量子计算、模拟和联网的基本资源。迄今为止，在俘获的原子离子中实现的量子比特显示了最高保真度的双量子比特纠缠操作和单量子比特旋转。

在传统离子阱系统中，都是通过激光束来控制量子比特的，特别是控制量子比特实现纠缠门(也叫双量子比特门)。无激光纠缠方法可以通过利用为无线通信开发的微波技术提供更好的可扩展性，但到目前为止，它们的性能落后于最好的基于激光的方法。

由美国国家标准与技术研究院(NIST)领导的一个研究团队通过创建保真度分别为和(68%置信水平)的对称和反对称最大纠缠态，对两个俘获离子量子比特进行高保真无激光通用控制，并纠正了初始化错误。

作为对比，实现了“量子计算优越性”的两台超导量子计算机“悬铃木”和“祖冲之”的双比特门保真度分别为99.38%和99.41%。

论文《俘获离子量子比特的高保真无激光通用控制》已于9月8日发表在《自然》杂志。

在离子阱系统中，基于激光的通用控制和双量子比特纠缠的产生已经被证明，在最近几年的三项研究中，报告了对称贝尔态(用于描述两个量子比特系统的四种最大纠缠态)的保真度分别为0.9989(7)、0.9992(4)和0.9994(3)，置信水平为68%。

到目前为止，保真度最高的无激光纠缠相互作用的纠正后贝尔态失真大约是前述基于激光的相互作用的三到五倍，并且纠缠操作慢一个数量级以上。

本文中，NIST领导的研究团队取得了新突破，他们演示了一种新的无激光纠缠方法，使用振荡近场射频磁场梯度，实现对称贝尔态保真度，纠正了初始化错误。这种保真度在统计上与基于激光的最高保真度演示没有区别，纠缠操作速度比以往最高保真度无激光演示快大约四倍。

这个方案本质上在离子的量子比特和运动状态的退相干方面具有鲁棒性，并且能够使用执行纠缠相互作用的相同射频控制场实现通用控制所需的单个量子比特寻址。研究人员使用这种通用控制来创建反对称的贝尔态(这需要单个量子比特的控制)，保真度为，并纠正了初始化错误。文章指出，这是迄今为止所有量子比特平台中最高的。

如下图所示，纠缠操作依赖于三个频率的控制信号，一个强磁场梯度与另外两个较弱的微波磁场结合。

研究人员在ωg= 2π × 5 MHz的频率下施加峰值约为1 A的电流，接近离子的运动频率ωr= 2π × 6.9 MHz，在离子处产生磁场梯度。此外还施加了两个弱得多的电流(峰值几十mA)，对称失谐δ≈ (ωr−ωg)/2来自量子比特频率ω~0≈2π×1.326 GHz，以产生纠缠的相互作用。虚线箭头表示运动模式和量子比特频率。以往的无激光纠缠演示需要两个GHz(而不是MHz)频率的高功率信号来产生大梯度，或八个微波场(每个量子比特四个)以及一个强静态磁场梯度。

外加电流的频谱。来源：Nature

在实验中，研究人员在离子阱表面上方大约30 μm处俘获了两个25Mg+离子，用于产生纠缠相互作用的MHz和GHz电流沿量子比特控制电极(绿色，编号为1–3)驱动，并产生横向于离子阱轴的磁场和场梯度，而限制势是由分别施加在紫色和灰色离子阱电极上的振荡电压和静态电压产生的，如下图所示。

表面电极离子阱中心区域的三维透视图。来源：Nature

调整横向模式的方向，以最大化沿模式的磁场梯度ωr。可以施加静电场，使离子晶体相对于量子比特控制电极轻微旋转，这样两个离子在ωg的磁场下经历不同的交流塞曼位移。相同的离子晶体结构可用于纠缠和独立寻址控制。

研究人员实现了一个几何相位门。

结果显示，本文中实现的对称贝尔态保真度，即[0.9983, 1]，远超过以往无激光技术实现的最高保真度，而且与基于激光技术实现的最高保真度没有区别。本文中纠缠操作时间740 μs，比以往同类研究快了4倍多，但仍比基于激光的纠缠操作慢。而且产生梯度的频率也从GHz级降低至MHz级。此外，本文还实现了保真度为的反对称贝尔态。

基于激光和无激光技术的俘获离子量子比特中产生的最高保真度贝尔态(68%置信水平)对比。来源：Nature

总之，他们使用了一种基于射频磁场梯度与微波磁场相结合的方案，该方案对多个退相干源具有鲁棒性，并且基本上可用于任何俘获的离子类型。该方案有可能在不增加控制信号功率或复杂性的情况下，对大规模离子阱量子处理器中的多对离子同时执行纠缠操作。

由于控制电流可以同时在多个区域中产生必要的梯度和场，该技术能够在多区域离子阱的多个俘获区域中同时执行纠缠操作。同时执行多个纠缠操作的能力可以减少或消除相对于基于激光的操作的速度损失，由于激光功率的限制，基于激光的操作通常在不同的离子组上连续执行。

这些特性可以实现一种新的大规模、多区域离子阱量子计算架构，其中除离子加载外的所有量子比特操作都使用射频或微波信号以及辅助的微瓦级激光束来执行。用于量子比特读出的陷阱集成光子探测器和用于产生限制势的陷阱集成电路，与低功率激光相结合，为可扩展、高保真、全芯片集成的离子阱量子计算提供了机会。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03809-4#MOESM1

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