【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明院士離子量子計(jì)算研究組在高核自旋離子量子比特的聲子基態(tài)冷卻方案上取得重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展：首次在核自旋為3/2的137Ba+離子中實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)透明(EIT)冷卻。該方案使用EIT效應(yīng)中類法諾(Fano)線型的光譜設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在寬頻率范圍內(nèi)同時(shí)冷卻所有聲子模式。此方案可以適用于具有相似核自旋結(jié)構(gòu)(I>1/2)的大規(guī)模離子晶格, 為高核自旋離子在未來規(guī)模化離子量子計(jì)算中的應(yīng)用解決了一個(gè)重要障礙。
離子阱是一個(gè)強(qiáng)大而多功能的平臺(tái)，在量子信息處理(QIP)、精密光譜學(xué)和基礎(chǔ)物理測試等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)高保真量子信息處理，研究人員需要將離子的相關(guān)運(yùn)動(dòng)模式冷卻到盡可能低的溫度。電磁感應(yīng)透明(EIT)冷卻可以提供較快的冷卻速率和較寬的冷卻帶寬，同時(shí)保持了較低低冷卻極限(n¯≈0.1)，使其成為大離子晶體量子計(jì)算和量子模擬的合適冷卻方法。然而，對(duì)于在低或中等磁場下具有高核自旋I>1/2的離子，由于難以找到孤立的Λ能級(jí)結(jié)構(gòu)，如何實(shí)現(xiàn)有效的EIT冷卻是具有挑戰(zhàn)性的。
圖1.137Ba+的相關(guān)能級(jí)與打光方案
該工作中，研究人員演示了用137Ba+離子(I=3/2)進(jìn)行EIT冷卻。研究人員修改了用于量子比特狀態(tài)初始化的激光設(shè)置，以在開放系統(tǒng)中執(zhí)行EIT冷卻。盡管在EIT冷卻過程中S態(tài)所有zeeman能級(jí)都涉及到動(dòng)力學(xué)，但EIT泵浦光束同時(shí)作為再泵浦光束，將所有態(tài)保持在冷卻子空間中。研究人員在實(shí)驗(yàn)上將單個(gè)137Ba+離子的兩種徑向模式聲子分別冷卻到0.08和0.15。通過使用相同的激光參數(shù)，研究人員進(jìn)一步將五個(gè)離子鏈的所有徑向模式冷卻到接近基態(tài)。
圖2. 單離子與五離子冷卻結(jié)果
研究介紹了一種適用于在低磁場下具有高核自旋的離子種類的EIT冷卻方案，并成功在單個(gè)137Ba+離子和五離子鏈上實(shí)現(xiàn)了該方案，獲得了遠(yuǎn)低于多普勒冷卻的平均聲子數(shù)極限。此方案可以自然地拓展到其他具有高核自旋的離子/原子種類，并且可為大規(guī)模高核自旋離子晶體提供有效的冷卻機(jī)制。
相關(guān)研究成果以“高核自旋離子的電磁誘導(dǎo)透明冷卻”(Electromagnetically Induced Transparency Cooling of High-Nuclear-Spin Ions)為題，于9月13日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physics Review Letters)。
清華大學(xué)交叉信息研究院2021級(jí)博士生黃傳薪、王晨曦為論文第一作者，交叉信息研究院副研究員周子超和段路明院士為論文通訊作者。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吳宇愷、侯攀宇，博士生張泓軒、胡鴻源、王祖卿、李世蛟，華翊量子公司成員毛志超博士。研究得到科技創(chuàng)新2030—“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、新基石研究員項(xiàng)目、清華大學(xué)篤實(shí)專項(xiàng)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助與支持。
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