Qubits de type double convertibles de manière cohérente implémentés par des ions Yb-171. a, Un type de qubit est codé dans les niveaux hyperfins S_(1/2) qui sont insensibles au bruit du champ magnétique, et l'autre type dans les niveaux hyperfins F_(7/2). Pour une conversion cohérente entre le S-qubit et le F-qubit, nous transférons les deux états de base |0⟩↔|0^'⟩ et |1⟩↔|1^'⟩ simultanément en utilisant des faisceaux laser à bande étroite à travers l'intermédiaire D_(5 /2) niveaux. b, Après avoir préparé un F-qubit à l'aide de faisceaux laser focalisés, l'erreur de diaphonie due aux opérations sur un autre S-qubit est supprimée, y compris la préparation de l'état, la détection, les portes et le refroidissement sympathique. Crédit :Yang et al.
Les ordinateurs à ions piégés sont des ordinateurs quantiques dans lesquels les qubits (unités quantiques d'information) sont des ions piégés par des champs électriques et manipulés avec des lasers. Pour éviter la diaphonie entre les qubits proches, les physiciens et les ingénieurs conçoivent ces ordinateurs en utilisant deux types de qubits différents.
L'utilisation de deux types différents de qubits permet finalement une connexion d'erreur quantique et la création de réseaux quantiques, qui facilitent la transmission d'informations dans les ordinateurs quantiques. Parmi les deux types de qubits utilisés, l'un stocke et traite les informations quantiques et l'autre effectue des opérations auxiliaires, telles que la collecte de mesures de syndrome d'erreur ou l'exécution de refroidissement sympathique et d'intrication photonique.
Jusqu'à présent, la plupart des ingénieurs développant des ordinateurs à ions piégés utilisaient deux espèces différentes d'ions comme ces deux types de qubit différents. Cependant, des chercheurs du Centre d'information quantique de l'Université de Tsinghua ont récemment montré que deux types de qubit différents pouvaient être créés en utilisant la même espèce d'ion. Leurs découvertes, publiées dans Nature Physics , pourraient ouvrir des pistes intéressantes pour la création de dispositifs quantiques à ions piégés.
"Dans l'informatique quantique à piège à ions, les opérations auxiliaires dispersent les photons qui peuvent détruire les informations quantiques stockées dans d'autres qubits, ce qui est connu sous le nom d'erreur de diaphonie", a déclaré Luming Duan, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Auparavant, les chercheurs devaient utiliser deux espèces d'ions pour coder les deux types de qubits, qui ont des fréquences de transition différentes, afin de supprimer l'erreur de diaphonie. Cependant, le contrôle de plusieurs espèces d'ions est de plus en plus difficile à mesure que le système évolue, et il est également impossible. convertir de manière cohérente entre deux espèces d'ions."
Pour surmonter les limites des précédentes approches d'informatique quantique à ions piégés, Duan et ses collègues ont codé les deux types différents de qubits dans différents collecteurs d'état fondamental de la même espèce d'ions, qui n'avaient pas de diaphonie entre eux. L'utilisation de ces qubits basés sur la même espèce d'ions pourrait grandement simplifier la fabrication de dispositifs à ions piégés, tout en permettant un meilleur contrôle sur ses qubits.
"Nous avons réalisé les deux types de qubits en utilisant deux paires de niveaux d'énergie à longue durée de vie (niveaux S hyperfins et niveaux F hyperfins) de l'ion Yb-171 qui sont insensibles au champ magnétique dans l'environnement)", a déclaré Duan. "Nous convertissons de manière cohérente entre ces deux types en utilisant des faisceaux laser à bande étroite à travers une paire de niveaux intermédiaires (niveaux D hyperfins. Les deux états de base du qubit sont convertis simultanément en utilisant le même laser pour supprimer la décohérence due au bruit de phase du laser."
Duan et ses collègues ont évalué leur nouvelle approche proposée pour l'informatique quantique à ions piégés dans une première démonstration de preuve de principe. Cette démonstration a donné des résultats remarquables, leurs deux types de qubits effectuant des opérations importantes tout en conservant une diaphonie avec les qubits adjacents inférieure à 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."
© 2022 Réseau Science X Un état intriqué à trois qubits a été réalisé dans un réseau entièrement contrôlable de qubits de spin dans du silicium
