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清华大学段路明研究组首次实现多离子协同激光冷却

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2021年09月30日

      ​近日(ri),清华大(da)学(xue)交叉信息研究(jiu)院段路明研究(jiu)组在离子阱量子信息处理领域取得重要(yao)进(jin)展,通过对优化选择的(de)少量离子进(jin)行激光(guang)(guang)冷(leng)却(que),首次实现对长离子链的(de)高效协同(tong)冷(leng)却(que),获(huo)得接近全局激光(guang)(guang)冷(leng)却(que)的(de)极限温度(du),为多离子比特(te)量子计算(suan)准备了技术(shu)基(ji)础(chu)。

      离子(zi)(zi)(zi)阱体系(xi)是目(mu)前实(shi)现量子(zi)(zi)(zi)计(ji)算(suan)、量子(zi)(zi)(zi)模拟的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)技(ji)术(shu)路(lu)线(xian)之一。当前离子(zi)(zi)(zi)阱体系(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一个(ge)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)误差来(lai)源,是离子(zi)(zi)(zi)受到环境电磁噪(zao)声影响(xiang)或与真空(kong)腔中(zhong)残余的(de)(de)(de)(de)(de)(de)气体分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)碰(peng)撞而(er)被加热。为了提(ti)高量子(zi)(zi)(zi)计(ji)算(suan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)线(xian)路(lu)深度(du)以及量子(zi)(zi)(zi)模拟所能研究的(de)(de)(de)(de)(de)(de)时间尺度(du),离子(zi)(zi)(zi)需要(yao)在实(shi)验过程中(zhong)保持低温、稳定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)状态。但是直接对全体离子(zi)(zi)(zi)进行激(ji)光冷(leng)却(que)(que),将会破坏(huai)其内部能级编码的(de)(de)(de)(de)(de)(de)量子(zi)(zi)(zi)比(bi)特信息。因此,实(shi)验中(zhong)需要(yao)采用协同冷(leng)却(que)(que)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法,通(tong)过激(ji)光的(de)(de)(de)(de)(de)(de)频(pin)率或空(kong)间位置来(lai)选择(ze)性(xing)地冷(leng)却(que)(que)部分(fen)(fen)离子(zi)(zi)(zi),并(bing)通(tong)过这些“冷(leng)却(que)(que)离子(zi)(zi)(zi)”来(lai)使其它编码量子(zi)(zi)(zi)比(bi)特的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“数据离子(zi)(zi)(zi)”维(wei)持低温。

 

离(li)子阱实验系统与多离(li)子集(ji)体振动模式示意图

       此前,在(zai)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)阱系统(tong)中仅实(shi)现过(guo)小(xiao)规(gui)模(mo)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)阵列的(de)(de)协(xie)同(tong)(tong)冷(leng)却(que)(que)(que)。为了(le)进(jin)行(xing)大(da)规(gui)模(mo)的(de)(de)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)(ji)(ji)算和(he)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)模(mo)拟,需要(yao)(yao)进(jin)一(yi)步(bu)增加系统(tong)中的(de)(de)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)数。而随着离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)阵列的(de)(de)规(gui)模(mo)扩大(da),多(duo)(duo)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)集体(ti)振动模(mo)式(shi)也(ye)变(bian)得越来越复(fu)杂,使得通(tong)(tong)过(guo)少数离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)进(jin)行(xing)协(xie)同(tong)(tong)冷(leng)却(que)(que)(que)的(de)(de)效率降低。在(zai)这(zhei)项工作中,研(yan)究人员通(tong)(tong)过(guo)分析一(yi)维(wei)长离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)链(lian)的(de)(de)集体(ti)振动模(mo)式(shi),优化设计(ji)(ji)(ji)出(chu)最佳的(de)(de)若干个(ge)(ge)相邻(lin)的(de)(de)“冷(leng)却(que)(que)(que)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)”,对整个(ge)(ge)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)链(lian)进(jin)行(xing)协(xie)同(tong)(tong)冷(leng)却(que)(que)(que)。研(yan)究人员还从实(shi)验(yan)上(shang)演示(shi)了(le)该(gai)方案,利(li)用两(liang)个(ge)(ge)优化设计(ji)(ji)(ji)的(de)(de)相邻(lin)“冷(leng)却(que)(que)(que)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)”,对8到28个(ge)(ge)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)一(yi)维(wei)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)链(lian)进(jin)行(xing)了(le)高效的(de)(de)协(xie)同(tong)(tong)冷(leng)却(que)(que)(que),达到了(le)接近全(quan)局多(duo)(duo)普勒冷(leng)却(que)(que)(que)极限的(de)(de)冷(leng)却(que)(que)(que)效果。该(gai)实(shi)验(yan)对于保持大(da)规(gui)模(mo)离(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)阵列的(de)(de)稳定(ding)性(xing)、实(shi)现未来的(de)(de)大(da)规(gui)模(mo)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)(ji)(ji)算和(he)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)模(mo)拟,具有重要(yao)(yao)意(yi)义。

 

测量协(xie)同(tong)冷却的动(dong)力学过程

       该(gai)成果(guo)的(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)论(lun)文(wen)《实验(yan)实现(xian)囚禁离子晶格上的(de)多(duo)离子协同冷却》(Experimental Realization of Multi-ion Sympathetic Cooling on a Trapped Ion Crystal)刊发(fa)于(yu)物理(li)学权威(wei)期刊《物理(li)评论(lun)快报》(Physical Review Letters)。该(gai)论(lun)文(wen)共同第一(yi)作(zuo)(zuo)者(zhe)(zhe)为交(jiao)叉信息研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院博(bo)士(shi)(shi)生毛志超(chao)和许钰梓,通讯作(zuo)(zuo)者(zhe)(zhe)为段路(lu)明教(jiao)授、吴宇恺(kai)助(zhu)理(li)教(jiao)授和周子超(chao)副研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)员(yuan)。其他作(zuo)(zuo)者(zhe)(zhe)包括交(jiao)叉信息研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院博(bo)士(shi)(shi)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)生梅全鑫、赵文(wen)定、姜越,实验(yan)员(yuan)常秀(xiu)英,副研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)员(yuan)何丽(li)、姚麟,以(yi)及北(bei)京大(da)(da)学物理(li)学院本科生王玉(现(xian)为哈佛大(da)(da)学物理(li)系博(bo)士(shi)(shi)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)生)。该(gai)工作(zuo)(zuo)得到了北(bei)京量子信息研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院、国(guo)家重点研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)发(fa)计(ji)划、教(jiao)育部量子信息前沿(yan)科学中(zhong)心、清华大(da)(da)学自主(zhu)科研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)计(ji)划、清华大(da)(da)学水木学者(zhe)(zhe)计(ji)划和博(bo)士(shi)(shi)后国(guo)际交(jiao)流计(ji)划引进项目(mu)的(de)资助(zhu)与支持。

 

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