清華大學(xué)研究團(tuán)隊將量子比特相干時間提升至5500秒

當(dāng)前，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技發(fā)展十分迅速，成為國內(nèi)外科技企業(yè)、研究所角逐的中心。

作為科技強國之一，我國愈發(fā)重視量子科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并不斷在量子相關(guān)領(lǐng)域取得重大突破。

近日，清華大學(xué)交叉信息研究院金奇奐研究組在量子計算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在離子阱系統(tǒng)中實現(xiàn)了超過一個小時的單量子比特相干時間，刷新了此前660秒的紀(jì)錄。

提升量子系統(tǒng)的相干時間一直是量子科技領(lǐng)域的一項挑戰(zhàn)。而作為最有潛力實現(xiàn)通用量子計算機的平臺之一，離子阱系統(tǒng)優(yōu)勢之一就是較長的相干時間。其中，相干時間直接限制了量子計算機可以連續(xù)進(jìn)行量子操作的最大次數(shù)，同時也是實現(xiàn)高保真度量子操作的前提條件。除量子計算外，相干時間對量子通訊以及量子精密測量領(lǐng)域也都具有重大意義。

實驗系統(tǒng)示意圖

據(jù)了解，清華大學(xué)交叉信息院量子信息中心金奇奐研究組于2017年實現(xiàn)了擁有超過10分鐘相干時間的單量子比特儲存(量子信息技術(shù)中的基本單元)，這是截至當(dāng)時單量子比特相干時間的世界紀(jì)錄，將之前的世界紀(jì)錄提高了10倍。

基于這一研究成果，本次實驗明確了其主要限制因素：微波信號相位噪聲，殘余磁場漲落以及微波信號泄漏。

同時，實驗過程中，研究組將實驗系統(tǒng)放置于雙層磁屏蔽系統(tǒng)中減少環(huán)境磁場噪聲與量子系統(tǒng)的耦合，通過增加激光以及微波信號隔離度減少信號泄露對系統(tǒng)的干擾，通過優(yōu)化本地微波振蕩器的參考降低微波信號相位噪聲。

此外，為進(jìn)一步抑制噪聲，研究組采用動力學(xué)解耦技術(shù)，并根據(jù)噪聲環(huán)境優(yōu)化脈沖參數(shù)進(jìn)一步降低各類噪聲源影響。最終量子比特相干時間提升到了5500秒，相較于之前有一個數(shù)量級的提升。

相干時間測量結(jié)果

該成果的研究論文(Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour)于近日刊發(fā)于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。其進(jìn)一步詳細(xì)分析并量化了限制離子量子比特相干時間的其它因素，為進(jìn)一步提升相干時間奠定了基礎(chǔ)。