Only Perception: 基於受陷離子的 qubits 造就可擴張的量子運算平台

2014-11-27

基於受陷離子的 qubits 造就可擴張的量子運算平台

Researchers find qubits based on trapped ions offer a promising scalable platform for quantum computing
http://phys.org/news/2014-11-qubits-based-ions-scalable-platform.html

By Bob Yirka
2014.11.26

(Phys.org) -- 一個在牛津大學進行研究的團隊發現，基於受陷（trapped）鈣離子的量子位元（qubits）可被操作也能被塑造成貯存 qubits 而且其保真度（fidelity）比迄今所能見到的任何其他方法都來得高。在他們發表於 Physical Review Letters 的論文中，這個團隊描述他們如何建立一種方法（means），用於測試「把 Ca+ 離子當成量子運算基礎」的可行性，以及他們進行測試時發現了什麼東西。

世界各地的科學家都在辛苦研究，想辦法建立一個可用、有用的量子電腦 -- 然而目前大多數的進展都仍停留在充滿問題的層次，其中一個問題是在一部量子電腦內準備、操作以及測量量子位元期間，對於錯誤率（error rate）的改正。目前的信念是，任何像這樣的機器，其錯誤更正必須低於百分之 1 才可行 -- 當錯誤率增加，在該過程中涉入其中的 qubits 數量也會增加，最終導致一個無法維持的局面（untenable situation）。在這種新方法裡，研究觀察受陷 Ca+ 離子是否會導致更高的保真度？

研究者利用電場使 Ca+ 離子受陷在藍寶石（sapphire，即氧化鋁）基質上，修改電場則可用來代代表 "0" 或 "1" 的 qubit 狀態。這麼做的時候，研究者發現，他們能達到 50 秒的凝聚時間（coherence time）-- 對於一個無遮蔽的原子離子（atomic-ion）來說，這創下一個紀錄。研究者接著使用雷射汲取（laser pumping）技術使鈣離子的電子製備成基態，接著應用光激發（optical excitation）來讀取 qubit 狀態。該團隊進行這個程序 15 萬次，並報告平均錯誤率只有百分之 0.07 -- 很明顯比百分之 1 的標準好很多。他們接著施加 3.2 GHz 的微波脈衝，使 qubit 作用如同邏輯閘 -- 他們報告準確度近乎完美。他們接著又產生長長的一段邏輯閘運算序列，運作下來，錯誤率只有 1x10^-6 -- 再一次，比測試標準好許多。

這個團隊的研究結果指出，在量子電腦中，受陷鈣離子經過證明，的確是一種用來體現 qubits 的合適方法，儘管仍有許多研究有待進行 -- 例如將所有的功能整合到單一設置內。

※ 相關報導：

＊ High-Fidelity Preparation, Gates, Memory, and Readout of a Trapped-Ion Quantum Bit
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.220501

T. P. Harty, D. T. C. Allcock, C. J. Ballance,
L. Guidoni, H. A. Janacek, N. M. Linke,
D. N. Stacey, and D. M. Lucas
Phys. Rev. Lett. 113, 220501
Published 24 November 2014
doi: 10.1103/PhysRevLett.113.220501

We implement all single-qubit operations with fidelities significantly above the minimum threshold required for fault-tolerant quantum computing, using a trapped-ion qubit stored in hyperfine “atomic clock” states of ⁴³Ca+. We measure a combined qubit state preparation and single-shot readout fidelity of 99.93%, a memory coherence time of T₂^*=50 sec, and an average single-qubit gate fidelity of 99.9999%. These results are achieved in a room-temperature microfabricated surface trap, without the use of magnetic field shielding or dynamic decoupling techniques to overcome technical noise.