科研进展 | Oxford Ionics公司：使用集成引线缀饰囚禁离子
光子盒QUANTUMCHINA
2024-09-26 18:55
发布于四川
囚禁离子具有
高保真度
、
相干
时间长
、
全连接
等特性，因此是一种很有前途的量子比特。然而，这些演示通常发生在独立的实验室中，将它们结合到一台设备中仍有一定的挑战性。
9月24日，离子阱量子公司Oxford Ionics的研究人员在《Physical Review A》期刊上发表题为“Dressing trapped ions with integrated wires”（使用集成引线缀饰囚禁离子）的研究论文，
R. T. Sutherland
为论文第一作者兼通讯作者。
在本文中，研究人员讨论了如何使用阱集成引线形成的近场来缀饰囚禁离子。在操作前后绝热地打开或关闭缀饰场会改变其有效的哈密顿量。缀饰场的振幅和失谐被用来充当可调谐自由度，可以用其来自定义任何操作的属性。研究人员为此通用工具提出了三个用例。首先，可以生成
“人工”时钟态
，其中消除了量子比特的（假设很小的）线性灵敏度。其次，可以打破在低量子化场中经常使搁置复杂化的简并性，从而
能够使用线性偏振微波实现原本需要圆偏振的操作
。最后，可以使用在频率空间中与计算机其余部分分离的场，
在一组“目标”离子上实现无激光的单量子比特门
。
理论方法
首先，研究人员考虑了囚禁离子处于基态超精细能级之间的相互作用。囚禁离子的量子态通常使用超精细相互作用进行描述，即电子的自旋和核自旋之间的耦合。这种耦合会在磁场作用下产生超精细劈裂，形成一组具有特定能级的量子态。然而，
在低磁场（通常为小于10高斯的场强）下，能级之间的劈裂会接近简并，导致态泄露和操作误差。为了克服这个问题，理论上引入了缀饰场的概念
。
缀饰场是通过集成引线生成的微波场，该场与离子处于接近共振的频率范围内。哈密顿量的形式包含了离子与微波场的耦合项以及缀饰场的影响。
通过引入含时缀饰场，哈密顿量中的能级劈裂能够被人为调整，从而使得量子态的能级劈裂与缀饰场的频率相匹配
。文章通过推导系统的总哈密顿量来展示缀饰场的作用效果。总哈密顿量可表示为三个部分的叠加：
无缀饰的自由哈密顿量
、
缀饰场的耦合哈密顿量
以及
离子操作时施加的控制场哈密顿量
。
在具体计算过程中，研究人员提出将系统转换到缀饰场的本征基态框架下的方法。
利用旋转波近似，忽略远离共振频率的高频项，只保留了接近共振的有效耦合项
。这样，
哈密顿量中的缀饰项会导致量子态的有效能级发生变化，并且在适当选择缀饰场的幅度和频率时，可以实现对能级劈裂的精确控制
。这一操作类似于通过调节系统中的附加场来改变量子态的有效哈密顿量，从而实现不同量子操作的优化。
接着，推导了缀饰场对态简并问题的解。
通过缀饰场打破量子态间的近简并，可以有效避免量子比特操作过程中由于态混合引发的误差
。缀饰场通过微小的频率调制，使得接近简并的能级之间产生足够大的频率差，进而可以使用传统的线性极化微波场进行选择性操作，而无需使用更复杂的圆偏振光场。这种简便的态缀饰方法在实际实验中具有较强的可操作性，并且能够提升量子操作的效率和准确性。
最后，探讨了缀饰场在实现无激光单量子比特门操作中的潜力。
通常情况下，单量子比特门操作需要使用激光来进行精确的态操控，然而在大型量子系统中，激光容易导致比特之间的串扰
。缀饰场的引入使得目标比特与其他比特在频率空间中分离开来，避免了操作中的串扰问题。这种基于频率分离的量子操作方案为大规模量子计算机的实现提供了新的可能性。
研究成果
结果表明，通过适当的缀饰场，可以有效地生成人工时钟态，从而减少量子比特的线性磁化率。此外，还展示了如何通过缀饰场来解决在低量子化场下常见的能级简并问题，使得可以实现原本需要圆偏振微波的线性偏振微波操作。最后，讨论了如何利用缀饰场实现无需激光的单量子比特门，这些门在频率上与计算机的其余部分分离，从而抑制串扰。
图1：(a)将目标离子穿梭到集成引线附近，然后绝热地打开并关闭正比于ωμ的交变电流，操作前后利用其近场来缀饰原子。(b)缀饰超精细流形的能级图。
图2：磁化率。
图3：不同状态的概率。
图4：频率分离的单量子比特门示例。
研究人员简介
R. T. Sutherland
，Oxford Ionics公司首席科学家、德克萨斯大学圣安东尼奥分校副教授。2022-2024年，担任Quantinuum公司原子分子光学理论课题组组长。
参考链接
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