成果速览

近日清华大学交叉信息研究院段路明研究组在双重编码量子比特之间量子逻辑门研究中取得了重要进展：首次演示了在 钡离子（¹³⁷Ba⁺）的 S_1/2 和 D_5/2 超精细能级中双重编码的量子比特之间的直接纠缠逻辑门。该方案可减少量子线路中双重编码量子比特之间转换过程，降低整体量子线路的复杂度，在未来量子纠错和离子-光子量子网络中具有广泛应用。相关研究成果以 Experimental Realization of Direct Entangling Gates between Dual-Type Qubits 为题发表在学术期刊Physical Review Letters上。

成果概要

离子阱是构建大规模通用量子计算机最有前景的物理平台之一。在该平台上已经实现了高保真度的量子比特状态初始化、读出、单量子比特门以及双量子比特门。目前，在一维离子链或量子电荷耦合器件（QCCD）架构中，已实现了数十个量子比特间的全连接。在二维（2D）离子晶体中，也已实现了对数百个量子比特的全局量子操控和单点可分辨测量。

最近研究组提出了一种双重量子比特编码方案，该方案将两种类型的量子比特编码到同一种离子的两组不同能级中。这两种编码的量子比特之间可以通过激光实现相互相干转换，从而能够按实验任务需求来转换量子比特类型，与此同时保持高协同冷却效率和低串扰误差。

图一：¹³⁷Ba⁺离子的相关能级与打光方案，同时展现复合编码量子比特低磁场敏感性

本工作完成了双重编码量子比特高保真度独立制备与探测，并演示了一种通用逻辑门方案，可以通过拉曼跃迁使用单个激光系统来实现复合编码量子比特之间的纠缠逻辑门。研究组使用¹³⁷Ba⁺离子，在S_1/2和D_5/2超精细能级中编码了两种量子比特，并展示了在S-D离子对之间的纠缠逻辑门操作，实现了96.3(4)%的纠缠态保真度，与同类型的S-S或D-D门相当。该结果表明，使用双重编码量子比特间的纠缠逻辑门，将有利于降低量子线路深度。

图二：复合编码量子比特纠缠门结果（分别为ss纠缠，dd纠缠与sd纠缠保真度结果）

该论文第一作者为清华大学交叉信息研究院2021级博士生王晨曦与2021级博士生黄传薪，通讯作者为交叉信息研究院周子超副研究员和段路明院士。其他作者包括交叉信息研究院吴宇恺助理教授，侯攀宇助理教授，博士生张泓轩、胡鸿源，以及华翊量子公司成员毛志超博士。该研究得到了科技创新2030 —“量子通信与量子计算机”重大项目（2021ZD0301601）、新基石研究员项目、清华大学笃实专项和启动经费的资助与支持。

论文链接：Experimental Realization of Direct Entangling Gates between Dual-Type Qubits | Phys. Rev. Lett.