Qubit di doppio tipo convertibili in modo coerente implementati dagli ioni Yb-171. a, un tipo di qubit è codificato nei livelli iperfini S_(1/2) che sono insensibili al rumore del campo magnetico e l'altro tipo nei livelli iperfini F_(7/2). Per una conversione coerente tra S-qubit e F-qubit, trasferiamo contemporaneamente i due stati base |0⟩↔|0^'⟩ e |1⟩↔|1^'⟩ utilizzando raggi laser a banda stretta attraverso l'intermedio D_(5 /2) livelli. b, Dopo aver preparato un qubit F utilizzando raggi laser focalizzati, l'errore di diafonia dovuto alle operazioni su un altro qubit S viene soppresso, inclusa la preparazione dello stato, il rilevamento, i gate e il raffreddamento simpatico. Credito:Yang et al.
I computer a ioni intrappolati sono computer quantistici in cui i qubit (unità quantistiche di informazione) sono ioni intrappolati da campi elettrici e manipolati con laser. Per evitare la diafonia tra qubit vicini, fisici e ingegneri progettano questi computer utilizzando due diversi tipi di qubit.
L'uso di due diversi tipi di qubit consente in definitiva la connessione dell'errore quantistico e la creazione di reti quantistiche, che facilitano la trasmissione di informazioni nei computer quantistici. Dei due tipi di qubit utilizzati, uno memorizza ed elabora informazioni quantistiche e l'altro esegue operazioni ausiliarie, come la raccolta di misurazioni della sindrome dell'errore o l'esecuzione del raffreddamento simpatico e dell'entangling fotonico.
Finora, la maggior parte degli ingegneri che sviluppavano computer a ioni intrappolati utilizzava due diverse specie di ioni come questi due diversi tipi di qubit. I ricercatori del Center for Quantum Information della Tsinghua University, tuttavia, hanno recentemente dimostrato che è possibile creare due diversi tipi di qubit utilizzando la stessa specie di ioni. Le loro scoperte, pubblicate su Nature Physics , potrebbe aprire interessanti strade per la creazione di dispositivi quantistici a ioni intrappolati.
"Nell'informatica quantistica con trappola ionica, le operazioni ausiliarie diffondono fotoni che possono distruggere le informazioni quantistiche memorizzate in altri qubit, noto come errore di diafonia", ha detto a Phys.org Luming Duan, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. "In precedenza, i ricercatori dovevano utilizzare due specie ioniche per codificare i due tipi di qubit, che hanno frequenze di transizione diverse, per sopprimere l'errore di diafonia. Tuttavia, controllare più specie ioniche è sempre più difficile man mano che il sistema aumenta, ed è anche impossibile per convertire coerentemente tra due specie di ioni."
Per superare i limiti dei precedenti approcci di calcolo quantistico con ioni intrappolati, Duan e i suoi colleghi hanno codificato i due diversi tipi di qubit in diverse varietà di stato fondamentale della stessa specie di ioni, che non avevano diafonia tra di loro. L'uso di questi qubit basati sulla stessa specie di ioni potrebbe semplificare notevolmente la fabbricazione di dispositivi ionici intrappolati, consentendo anche un maggiore controllo sui suoi qubit.
"Abbiamo realizzato i due tipi di qubit utilizzando due coppie di livelli di energia di lunga durata (livelli S iperfini e livelli F iperfini) dello ione Yb-171 che sono insensibili al campo magnetico nell'ambiente)," ha detto Duan. "Convertiamo coerentemente tra questi due tipi utilizzando raggi laser a banda stretta attraverso una coppia di livelli intermedi (livelli D iperfini). I due stati base del qubit vengono convertiti simultaneamente utilizzando lo stesso laser per sopprimere la decoerenza dovuta al rumore di fase del laser."
Duan e i suoi colleghi hanno valutato il loro approccio recentemente proposto al calcolo quantistico di ioni intrappolati in una dimostrazione iniziale di prova di principio. Questa dimostrazione ha prodotto risultati notevoli, con i loro due tipi di qubit che eseguono operazioni importanti pur mantenendo il crosstalk con i qubit adiacenti al di sotto dello 0,06%.
"We demonstrate fast and high-fidelity coherent conversion between the two qubit types, and we demonstrate the required operations on one qubit type, including state preparation, detection, single-qubit gates and sympathetic laser cooling, with a crosstalk error on the other qubit type significantly below the threshold of fault-tolerant quantum computing," Duan said.
The recent study by this team of researchers introduces a new basic toolkit for effectively implementing the dual-type qubit scheme in trapped ion quantum computers using the same ion species. In the future, this toolkit could enable the implementation of large-scale ion trap quantum computers and quantum networks.
"We now plan to improve the conversion fidelity between the two qubit types, and then apply the dual-type qubit scheme to the multi-ion quantum computing setup with in-computation measurements and cooling," Duan added. "We also plan to apply the dual-type qubit scheme in ion-photon quantum network to suppress the crosstalk error." + Esplora ulteriormente
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