量子比特相干時間破紀錄 清華大學量子計算領域取得重要進展

當前，以量子信息科學為代表的量子科技發(fā)展十分迅速，成為國內外科技企業(yè)、研究所角逐的中心。

近日，清華大學交叉信息院量子信息中心金奇奐研究組在量子計算領域取得重要進展，首次在離子阱系統(tǒng)中實現(xiàn)了超過一個小時的單量子比特相干時間，刷新了此前 660 秒的紀錄。

提升量子系統(tǒng)的相干時間一直是量子科技領域的一項挑戰(zhàn)。而作為最有潛力實現(xiàn)通用量子計算機的平臺之一，離子阱系統(tǒng)優(yōu)勢之一就是較長的相干時間。其中，相干時間直接限制了量子計算機可以連續(xù)進行量子操作的最大次數(shù)，同時也是實現(xiàn)高保真度量子操作的前提條件。除量子計算外，相干時間對量子通訊以及量子精密測量領域也都具有重大意義。

據了解，清華大學交叉信息院量子信息中心金奇奐研究組于 2017 年實現(xiàn)了擁有超過 10 分鐘相干時間的單量子比特儲存(量子信息技術中的基本單元)，這是目前為止單量子比特相干時間的世界紀錄，將之前的世界紀錄提高了 10 倍。

基于這一研究成果，本次實驗明確了其主要限制因素：微波信號相位噪聲，殘余磁場漲落以及微波信號泄漏。

同時，實驗過程中，研究組將實驗系統(tǒng)放置于雙層磁屏蔽系統(tǒng)中減少環(huán)境磁場噪聲與量子系統(tǒng)的耦合，通過增加激光以及微波信號隔離度減少信號泄露對系統(tǒng)的干擾，通過優(yōu)化本地微波振蕩器的參考降低微波信號相位噪聲。

此外，為進一步抑制噪聲，研究組采用動力學解耦技術，并根據噪聲環(huán)境優(yōu)化脈沖參數(shù)進一步降低各類噪聲源影響。最終量子比特相干時間提升到了 5500 秒，相較于之前有一個數(shù)量級的提升。

該成果的研究論文(Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour)于近日刊發(fā)于國際學術期刊《自然 · 通訊》。其進一步詳細分析并量化了限制離子量子比特相干時間的其它因素，為進一步提升相干時間奠定了基礎。