牛津大学、Oxford Ionics：刷新记录的高保真预报量子态制备与测量

创作时间:

作者:

@小白创作中心

牛津大学、Oxford Ionics：刷新记录的高保真预报量子态制备与测量

引用

腾讯

https://new.qq.com/rain/a/20240911A07RCJ00?media_id=&suid=

9月10日，英国离子阱量子公司Oxford Ionics宣布，其在量子态制备与测量（SPAM）方面创下新纪录。在牛津大学实验实施的结果表明，他们的SPAM保真度是所有量子计算平台记录中最高的，达到99.9993%。

相关研究论文以“High-fidelity heralded quantum state preparation and measurement”（高保真预报量子态制备与测量）为题，于9月9日发布在预印本平台arXiv上，A. S. Sotirova为论文共同第一作者兼通讯作者、J. D. Leppard为论文共同第一作者。

在本文中，研究人员提出了一种用于高保真量子比特态制备与测量（SPAM）的新型协议。该协议将标准SPAM方法与一连串序列测量相结合，以此检测和消除错误。该协议可以应用于任何具有长寿（亚稳态）能级的量子系统，并且可以在不与此能级耦合的情况下检测该能级以外的布居。研究人员基于该协议，演示了如何用单个囚禁137Ba+离子实现三种不同的量子比特编码。基于这三种编码，研究人员实现了有史以来的SPAM失真度最低值：7(4)×10^−6（光学量子比特）、5(4)×10^−6（亚稳态能级量子比特）和8(4)×10^−6（基态能级量子比特）。

背景

构建量子计算机的要求之一是能够以低错误率执行量子比特SPAM。基于原子量子比特的量子计算平台允许使用光泵进行高保真SPAM和状态选择性荧光（state-selective fluorescence），避免了固态平台常见的SPAM保真度和门保真度之间的折中。基于先前使用40Ca+实现高保真SPAM的工作，如今已经开发出多种技术，用来将这些方法扩展到具有更复杂内部结构的原子量子比特上，例如具有核自旋的离子I>1/2，这可能有利于量子计算、传感和计时。虽然之前实验报道的SPAM错误率低至9.0(13)×10^-5，但是高保真量子比特SPAM通常仍具有挑战性且需要大量资源，其错误来源包括不纯的激光偏振、不完美的传输脉冲和有限的原子寿命。

理论方法

研究的理论基础建立在一个具有两个长寿流形A和B的多能级量子系统之上，这两个流形通过特定的物理过程相互连接，且可以通过激光脉冲实现布居转移。在这个模型中，量子比特被编码在A和B中的特定状态内，例如|0⟩和|1⟩。研究团队特别关注了原子量子比特，其中激光脉冲可以用来在基态（属于A）和亚稳态（属于B）之间转移布居。

SPAM协议的核心在于利用量子非破坏性（quantum non-demolition，QND）测量来检测SPAM过程中的错误。这些测量被设计为在发生SPAM错误时发出信号，即“错误标志”。利用这些标志，研究人员可以通过后选择（post-selection）来拒绝相应的实验结果，或者通过重复实验直到没有错误标志出现，或者将这些标志纳入算法输出的分析中。

协议中，研究人员通过在布居初始化和转移过程中使用QND测量来标记错误。例如，在将布居从A转移到B的过程中，如果检测到A中仍有布居（即“亮”结果），则发出错误标志。同理，如果在将布居从B转移到A的过程中检测到B中仍有布居，也会发出错误标志。这些错误标志允许研究人员通过后选择来拒绝那些有错误的实验结果，从而显著提高SPAM的保真度。

研究团队对SPAM协议的保真度进行了详细的理论分析。他们发现，通过在序列中引入QND测量，SPAM的保真度主要取决于布居检测的保真度，而与其他步骤中的错误主要导致计算的有效减速。通过理论计算，研究人员预测了在完美布居检测的假设下，SPAM协议能够达到的最低错误率。

实验方法

实验使用了单个137Ba+离子，该离子被囚禁在一个保罗阱中。离子的冷却、态初始化、布居转移和检测都通过精确调谐的激光脉冲实现。实验平台包括用于离子冷却和状态操作的多波长激光系统，以及用于检测离子荧光的高灵敏度科学CMOS（sCMOS）相机。

研究人员首先使用光学泵浦技术将离子初始化到一个确定的状态，例如|S1/2, F=2, mF=0⟩。然后，通过使用特定波长的激光脉冲，研究人员能够将离子的布居从一个能级转移到另一个能级，例如从基态转移到亚稳态。这些转移脉冲的精确时间和强度通过实验前的精确校准确定。

在SPAM协议中，研究人员引入了多个QND测量步骤来检测布居是否正确地从一个能级转移到另一个能级。这些测量通过使用特定波长的激光脉冲来激发离子，并使用sCMOS相机来检测离子的荧光。根据荧光的有无，研究人员可以判断离子是否在预期的能级上，从而实现对错误状态的检测。

实验中收集的数据通过一系列后处理步骤进行分析。研究人员首先根据QND测量的结果来标记可能存在错误的实验结果。然后，通过后选择过程，研究人员拒绝那些被标记的实验结果，从而只保留那些没有错误的结果。最后，研究人员对保留的结果进行统计分析，以验证SPAM协议的有效性和准确性。

图1：SPAM协议。