Когерентно конвертируемые кубиты двойного типа, реализованные ионами Yb-171. а) Один тип кубитов закодирован на сверхтонких уровнях S_(1/2), нечувствительных к шуму магнитного поля, а другой тип — на сверхтонких уровнях F_(7/2). Для когерентного преобразования между S-кубитом и F-кубитом два базисных состояния |0⟩↔|0^'⟩ и |1⟩↔|1^'⟩ передаются одновременно с помощью узкополосных лазерных лучей через промежуточный D_(5 /2) уровни. б) после подготовки F-кубита с использованием сфокусированных лазерных лучей ошибка перекрестных помех, возникающая из-за операций с другим S-кубитом, включая подготовку состояний, обнаружение, вентили и симпатическое охлаждение. Кредит: Ян и др.

Компьютеры с захваченными ионами — это квантовые компьютеры, в которых кубиты (квантовые единицы информации) представляют собой ионы, захваченные электрическими полями и управляемые с помощью лазеров. Чтобы избежать перекрестных помех между соседними кубитами, физики и инженеры проектируют эти компьютеры с использованием двух разных типов кубитов.

Использование двух разных типов кубитов в конечном итоге позволяет связывать квантовые ошибки и создавать квантовые сети, облегчающие передачу информации в квантовых компьютерах. Из двух используемых типов кубитов один хранит и обрабатывает квантовую информацию, а другой выполняет вспомогательные операции, такие как сбор измерений ошибки или выполнение симпатического охлаждения и фотонной запутанности.

До сих пор большинство инженеров, разрабатывавших компьютеры с захваченными ионами, использовали два разных вида ионов в качестве этих двух разных типов кубитов. Однако исследователи из Центра квантовой информации Университета Цинхуа недавно показали, что два разных типа кубитов могут быть созданы с использованием одного и того же вида иона. Их выводы, опубликованные в журнале Nature Physics, могут открыть интересные возможности для создания квантовых устройств с захваченными ионами.

«В квантовых вычислениях с ионной ловушкой вспомогательные операции рассеивают фотоны, которые могут разрушить квантовую информацию, хранящуюся в других кубитах, что известно как ошибка перекрестных помех», — сказал Phys.org Луминг Дуан, один из исследователей, проводивших исследование. «Ранее исследователям приходилось использовать два вида ионов для кодирования двух типов кубитов, которые имеют разные частоты перехода, чтобы подавить ошибку перекрестных помех. Однако управление несколькими видами ионов становится все труднее по мере масштабирования системы, а также невозможно для когерентного преобразования между двумя видами ионов».

Чтобы преодолеть ограничения предыдущих подходов к квантовым вычислениям с захваченными ионами, Дуан и его коллеги закодировали два разных типа кубитов в разных многообразиях основного состояния одного и того же вида ионов, которые не имели перекрестных помех между ними. Использование этих кубитов на основе одного и того же вида ионов может значительно упростить изготовление устройств с захваченными ионами, а также обеспечить больший контроль над своими кубитами.

«Мы реализовали два типа кубитов, используя две пары долгоживущих энергетических уровней (сверхтонкие уровни S и сверхтонкие уровни F) иона Yb-171, которые нечувствительны к магнитному полю в окружающей среде», — сказал Дуан. «Мы когерентно преобразуем эти два типа с помощью узкополосных лазерных лучей через пару промежуточных уровней (сверхтонкие D-уровни. Два базисных состояния кубита преобразуются одновременно с помощью одного и того же лазера для подавления декогеренции из-за фазового шума лазер».

Дуан и его коллеги оценили свой недавно предложенный подход к квантовым вычислениям с захваченными ионами в начальной демонстрации проверки принципа. Эта демонстрация дала замечательные результаты: два типа кубитов выполняли важные операции, сохраняя при этом перекрестные помехи с соседними кубитами ниже 0,06%.

«Мы демонстрируем быстрое и высокоточное когерентное преобразование между двумя типами кубитов, и мы демонстрируем необходимые операции на одном типе кубита, включая подготовку состояния, обнаружение, однокубитные вентили и симпатическое лазерное охлаждение, с ошибкой перекрестных помех на другом кубите значительно ниже порога отказоустойчивых квантовых вычислений», — сказал Дуан.

Недавнее исследование, проведенное этой группой исследователей, представляет новый базовый набор инструментов для эффективной реализации схемы кубитов двойного типа в квантовых компьютерах с захваченными ионами, использующих один и тот же вид ионов. В будущем этот набор инструментов может позволить реализовать крупномасштабные квантовые компьютеры с ионной ловушкой и квантовые сети.

«Теперь мы планируем улучшить точность преобразования между двумя типами кубитов, а затем применить схему кубитов двойного типа к многоионной квантовой вычислительной установке с измерениями и охлаждением в ходе вычислений», — добавил Дуан. «Мы также планируем применить схему кубитов двойного типа в ионно-фотонной квантовой сети для подавления ошибки перекрестных помех».