Nat.Commun. : 纠缠高维量子系统的新方法

光子盒研究院出品

在计算领域，我们通常认为信息存储为一和零，也称为二进制编码。这与我们日常使用的十位制计数不同：例如，在二进制中，数字 9 写为 1001，需要三个额外的数字来表示同一事物。
今天的量子计算机是从这种二元范式中发展而来的，但事实上，编码量子比特 (qubit) 的物理系统通常也有可能编码量子数字 (qudits) ，正如最近由因斯布鲁克大学实验物理系的Martin Ringbauer领导的团队所证明的那样。

4月19日，研究成果以《捕获离子量子处理器中的原生四维纠缠(Native qudit entanglement in a trapped ion quantum processor)》为题，发表在《自然·通讯》期刊上
“基于qudit的量子计算机的挑战是在高维信息载体之间有效地创造纠缠。”实验中，研究团队描述并演示了一个捕获离子量子处理器中的本地qudit纠缠门，并详细描述了门的动力学和噪声源。结果显示，两个量子比特能够以前所未有的性能彼此完全纠缠，为实现更高效、更强大的量子计算机铺平了道路。

虽然人类能够一步到位地计算出9×9=81，但经典计算机（或计算器）必须采取1001×1001、在幕后进行许多步的二进制乘法，才能在屏幕上显示81。在经典的情况下，我们可以承受这样做，但在量子世界中，计算对噪声和外部干扰本质上是敏感的，我们需要减少所需的操作数量，以充分利用现有的量子计算机。
因此，对于量子计算机上的任何计算来说，至关重要的是量子纠缠。纠缠是独特的量子特征之一，它支撑着量子在某些任务中大大超过经典计算机的潜力。然而，利用这种潜力需要产生稳健和准确的高维纠缠。

带有微型表面陷阱的真空室
因斯布鲁克大学的研究人员现在能够完全纠缠两个量子，每个量子都被编码在单个钙离子的多达5个状态中。这给理论和实验物理学家提供了一个新的工具来超越二进制信息处理——可能导致更快和更强大的量子计算机。

实验装置

在两个qutrit上应用量子门

产生原生Qudit纠缠(genuine qudit entanglement)

此次，实验团队展示了一个实验性实现的门，它可以直接在两个捕获的离子之间产生原生qudit纠缠。
这与之前展示的量子纠缠方案的主要区别是，该门可以自然地耦合到所有的转换，从而在门的一次应用中产生多个量子级之间的纠缠，而不是通过重复应用耦合到单个转换的量子比特纠缠操作，从而在每一步中只产生两级纠缠。
这一根本区别不仅决定了可以实现的纠缠动态类型，而且决定了误差贡献和对实验控制的要求。因此，这一原生qudit门的校准与成对纠缠的Mølmer-Sørensen门的多次应用相比更有利。
参考链接：
[1]https://mbd.baidu.com/newspage/data/landingsuper?rs=1534989899&ruk=xqt-bk9LXTJpGsiL5r04ww&urlext=%7B%22cuid%22%3A%22giBqiY8dSilqOBiC_u2ei_8JSflqiBufji2AiYug2fKo0qqSB%22%7D&isBdboxFrom=1&pageType=1&sid_for_share=&context=%7B%22nid%22%3A%22news_10298840510826312871%22,%22sourceFrom%22%3A%22bjh%22%7D[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/986807[3]https://www.nature.com/articles/s41467-023-37375-2

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