清华大学研究组首次实现将量子比特相干时间提升至一小时以上

当前,以量子信息科学为代表的量子科技发展十分迅速,成为国内外科技企业、研究所角逐的中心。

近日,清华大学交叉信息院量子信息中心金奇奂研究组在量子计算领域取得重要进展,首次在离子阱系统中实现了超过一个小时的单量子比特相干时间,刷新了此前 660 秒的纪录。

提升量子系统的相干时间一直是量子科技领域的一项挑战。而作为最有潜力实现通用量子计算机的平台之一,离子阱系统优势之一就是较长的相干时间。其中,相干时间直接限制了量子计算机可以连续进行量子操作的最大次数,同时也是实现高保真度量子操作的前提条件。除量子计算外,相干时间对量子通讯以及量子精密测量领域也都具有重大意义。

据了解,清华大学交叉信息院量子信息中心金奇奂研究组于 2017 年实现了拥有超过 10 分钟相干时间的单量子比特储存(量子信息技术中的基本单元),这是目前为止单量子比特相干时间的世界纪录,将之前的世界纪录提高了 10 倍。

基于这一研究成果,本次实验明确了其主要限制因素:微波信号相位噪声,残余磁场涨落以及微波信号泄漏。

同时,实验过程中,研究组将实验系统放置于双层磁屏蔽系统中减少环境磁场噪声与量子系统的耦合,通过增加激光以及微波信号隔离度减少信号泄露对系统的干扰,通过优化本地微波振荡器的参考降低微波信号相位噪声。

此外,为进一步抑制噪声,研究组采用动力学解耦技术,并根据噪声环境优化脉冲参数进一步降低各类噪声源影响。最终量子比特相干时间提升到了 5500 秒,相较于之前有一个数量级的提升。

该成果的研究论文(Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour)于近日刊发于国际学术期刊《自然 · 通讯》。其进一步详细分析并量化了限制离子量子比特相干时间的其它因素,为进一步提升相干时间奠定了基础。

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