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研究快讯 | 基于里德堡原子基态封锁的双量子比特几何门

已有 113 次阅读 2022-9-28 02:18 |系统分类:论文交流

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Editors' Suggestion

Two-Qubit Geometric Gates Based on Ground-State Blockade of Rydberg Atoms

Ji-Ze Xu (徐继泽), Li-Na Sun (孙莉娜), J.-F. Wei (魏金峰), Y.-L. Du (杜艳丽), Ronghui Luo (罗荣辉), Lei-Lei Yan (闫磊磊), M. Feng (冯芒), and Shi-Lei Su (苏石磊)

Chin. Phys. Lett. 2022, 39 (9): 090301


文章亮点

将量子比特编码在里德堡原子的基态,降低了里德堡激发态的退相和自发辐射对量子门性能的不利影响。同时,利用几何量子计算的方案一步构建量子门,使得量子门对控制误差具有内禀的鲁棒性,最终实现了高保真度和强鲁棒性的两比特几何量子门。此外,将量子比特编码在里德堡原子的基态这一方法还解决了在传统的二能级方案中(里德堡态包含于计算空间)两个里德堡原子很难同时被激发到里德堡态这一实验实现问题,这进一步提高了基于里德堡平台的量子门的实验可行性。


基于里德堡原子基态封锁的双量子比特几何门


研究背景

近年来,量子计算受到广泛关注。与经典计算相比,量子计算具有更高的计算速度,能够解决许多经典计算无法解决的问题。实现量子计算的关键步骤是设计和构造一套具有高保真度和强鲁棒性的通用量子门。因此,高保真和鲁棒量子门的实现已经成为当前实验研究的主要方向。里德堡原子因其具有超精细能级结构和长程相互作用、长寿命、可扩展等特点,成为了量子信息处理中有潜力的平台。然而,在传统的二能级方案中(里德堡态包含于计算空间)两个里德堡原子很难同时被激发到里德堡态;同时,里德堡态的长时间布局会导致很强的退相干。这使得编码在基态和里德堡态上的两比特门在实验实现上面临严峻挑战,因此实现基态编码的高保真、强鲁棒的几何量子门具有重要意义。


内容简介

近期,郑州大学物理学院闫磊磊研究员、苏石磊教授研究小组设计了一套在里德堡原子体系中实现两比特几何量子门的方案。该方案基于两个里德堡原子,利用里德堡相互作用和非共振激发过程,实现了基态的双占据阻塞效应,即基态阻塞。一方面,将计算子空间编码在基态,有效地避免了里德堡激发态自发辐射和退相的影响。另一方面,几何量子计算的特点是独立于演化细节,使量子门具有对控制误差的强鲁棒性。因此该方案构造的量子门不仅大大减少了自发辐射和退相对保真度的影响,而且对控制误差具有强鲁棒性。该方案实现的量子逻辑门平均保真度可达99.55%,对激光拉比频率的鲁棒性数值模拟结果如下图所示。


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图1 量子门鲁棒性的数值模拟结果。C-Not门(a)和C-Hadamard门(b)对拉比误差的鲁棒性,所有相关参数均在实验允许范围内选取。


研究意义和重要性

该工作提出了一种一步实现的基态编码的几何量子逻辑门方案,提高了量子门保真度和鲁棒性,同时也为实验设计提供了一种新思路。


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