Pesquisadores descobrem dois tipos de qubits coerentemente conversíveis usando uma única espécie de íons
Qubits de tipo duplo coerentemente conversíveis implementados por íons Yb-171. a, Um tipo de qubit é codificado nos níveis hiperfinos S_(1/2) que são insensíveis ao ruído do campo magnético, e o outro tipo nos níveis hiperfinos F_(7/2). Para uma conversão coerente entre o S-qubit e o F-qubit, transferimos os dois estados básicos |0⟩↔|0^'⟩ e |1⟩↔|1^'⟩ simultaneamente usando feixes de laser de banda estreita através do intermediário D_(5 /2) níveis. b, Depois de preparar um F-qubit usando feixes de laser focados, o erro de diafonia devido a operações em outro S-qubit é suprimido, incluindo preparação de estado, detecção, portas e resfriamento simpático. Crédito:Yang et al.
Computadores de íons presos são computadores quânticos nos quais os qubits (unidades quânticas de informação) são íons presos por campos elétricos e manipulados com lasers. Para evitar conversas cruzadas entre qubits próximos, físicos e engenheiros projetam esses computadores usando dois tipos diferentes de qubits.
O uso de dois tipos diferentes de qubits permite, em última análise, a conexão de erros quânticos e a criação de redes quânticas, que facilitam a transmissão de informações em computadores quânticos. Dos dois tipos de qubits utilizados, um armazena e processa informações quânticas e o outro realiza operações auxiliares, como a coleta de medidas de síndrome de erro ou a execução de resfriamento simpático e emaranhamento fotônico.
Até agora, a maioria dos engenheiros desenvolvendo computadores de íons presos empregava duas espécies diferentes de íons como esses dois tipos diferentes de qubit. Pesquisadores do Centro de Informações Quânticas da Universidade de Tsinghua, no entanto, mostraram recentemente que dois tipos diferentes de qubits podem ser criados usando a mesma espécie de íon. Suas descobertas, publicadas em
Nature Physics , poderia abrir caminhos interessantes para a criação de dispositivos quânticos de íons presos.
“Na computação quântica de armadilha de íons, as operações auxiliares espalham fótons que podem destruir as informações quânticas armazenadas em outros qubits, o que é conhecido como erro de diafonia”, disse Luming Duan, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Anteriormente, os pesquisadores tinham que usar duas espécies de íons para codificar os dois tipos de qubits, que têm diferentes frequências de transição, para suprimir o erro de diafonia. No entanto, controlar várias espécies de íons é cada vez mais difícil à medida que o sistema aumenta e também é impossível para converter coerentemente entre duas espécies de íons."
Para superar as limitações das abordagens anteriores de computação quântica de íons presos, Duan e seus colegas codificaram os dois tipos diferentes de qubits em diferentes coletores de estado fundamental da mesma espécie de íons, que não tinham diafonia entre eles. O uso desses qubits baseados na mesma espécie de íons pode simplificar bastante a fabricação de dispositivos de íons aprisionados, além de permitir maior controle sobre seus qubits.
"Percebemos os dois tipos de qubits usando dois pares de níveis de energia de longa duração (níveis hiperfinos de S e níveis hiperfinos de F) do íon Yb-171 que são insensíveis ao campo magnético no ambiente)", disse Duan. "Nós convertemos coerentemente entre esses dois tipos usando feixes de laser de banda estreita através de um par de níveis intermediários (níveis D hiperfinos. Os dois estados básicos do qubit são convertidos simultaneamente usando o mesmo laser para suprimir a decoerência devido ao ruído de fase do laser."
Duan e seus colegas avaliaram sua nova abordagem proposta para a computação quântica de íons presos em uma demonstração inicial de prova de princípio. Esta demonstração rendeu resultados notáveis, com seus dois tipos de qubits realizando operações importantes, mantendo a diafonia com qubits adjacentes abaixo de 0,06%.
"Demonstramos uma conversão coerente rápida e de alta fidelidade entre os dois tipos de qubit e demonstramos as operações necessárias em um tipo de qubit, incluindo preparação de estado, detecção, portas de qubit único e resfriamento a laser simpático, com um erro de crosstalk no outro qubit digite significativamente abaixo do limite da computação quântica tolerante a falhas", disse Duan.
The recent study by this team of researchers introduces a new basic toolkit for effectively implementing the dual-type qubit scheme in trapped ion quantum computers using the same ion species. In the future, this toolkit could enable the implementation of large-scale ion trap quantum computers and quantum networks.
"We now plan to improve the conversion fidelity between the two qubit types, and then apply the dual-type qubit scheme to the multi-ion quantum computing setup with in-computation measurements and cooling," Duan added. "We also plan to apply the dual-type qubit scheme in ion-photon quantum network to suppress the crosstalk error."
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