清华大学段路明组首次实现同种离子之间无串扰的双重量子比特编码
交叉信息研究院段路明研究组近期利用同种离子首次实现了可以相干转换的双重量子比特编码，以克服量子计算过程中多比特之间串扰的影响，该实验验证了在各种量子操控过程中系统的串扰误差均显著低于量子纠错所要求的阈值。克服串扰的影响是实现量子纠错和大规模容错量子计算的一个关键要求，段路明研究组的突破为基于离子阱系统的容错量子计算提供了重要工具。
该成果论文《Realizing coherently convertible dual-type qubits with the same ion species》近日在国际著名学术期刊Nature Physics（《自然物理》）发表，瑞士ETH的Hempel教授在同期的《自然物理》新闻与评述栏目专文推介此成果论文。
离子阱系统是实现量子计算和量子网络最有希望的系统之一，对于离子量子计算和量子网络系统，拥有两种相互间无串扰的量子比特类型至关重要：一种比特类型用于计算和存储，称为“数据比特”；另一种比特类型用于测量、协同冷却、离子-光子纠缠等辅助操作，称为“辅助比特”。
为了避免在辅助操作过程中辅助比特自发辐射的光子破坏附近的数据比特中储存的量子信息，此前的离子阱量子计算研究需要采用两种不同种类的离子分别担任这两种类型的量子比特，但实现不同种类离子之间的高保真度量子纠缠逻辑门极具挑战，且随着离子阵列规模的扩大，调控两种类型离子的分布及位置并实现协同冷却也愈发困难。
实验方案示意图
为了克服上述困难，段路明研究组在实验上利用同种(_^171)Yb^+ 离子的两对超精细结构能级分别编码了这两种类型的量子比特（S-qubit和F-qubit），利用411 nm和3432 nm的双色窄线宽激光实现了两种量子比特之间保真度99.5%的微秒量级相干转换，并演示了对其中一种量子比特进行初态制备、测量、单比特逻辑门、激光冷却等操作时，另一种量子比特的串扰错误率小于0.06%，低于容错量子计算约1%的错误率阈值。该技术解决了未来大规模离子量子计算和量子网络的一个关键难点。
测定两种类型量子比特相干转换保真度实验结果图
该论文通讯作者为清华大学交叉信息研究院段路明教授。清华大学交叉信息研究院博士后杨蒿翔和交叉信息研究院2018级博士生马剑宇为文章共同一作。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吴宇恺、交叉信息研究院2019级博士生王也、交叉信息研究院2018级博士生曹明明、郭伟轩、冯路、交叉信息研究院助理研究员黄园园以及副研究员周子超。该工作得到了清华大学自主科研计划和国家教育部基金的资助与支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01661-5