作者:英格丽德·法德利
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纳德林格
近年来，世界范围内的研究团队一直在尝试创建俘获离子量子计算机，迄今为止，这已被证明是最有希望实现实际量子计算的系统之一
在这些计算机中，被捕获的离子作为量子比特被纠缠，以便执行高级计算
为了开发可扩展的俘获离子量子计算机，牛津大学的研究人员最近在钙和锶这两种不同的原子元素之间实现了一个双量子比特纠缠门
在他们发表在《物理评论快报》上的研究中，他们使用了一种只需要一个激光器的门控机制，之前他们已经在两种不同的钙同位素上进行了测试
俘获离子量子计算机发展中最大的挑战之一是可扩展性(即
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寻找方法来应用在几个量子位到几千个甚至几百万个量子位上获得有希望的结果的方法)
事实上，简单地在量子计算系统中添加新的量子位通常会导致性能的快速下降，因为它会引入新的错误，使得在不影响其他量子位的情况下与单个量子位进行交互变得更加困难
为了克服这个挑战，牛津大学的研究小组使用了两种方法，即模块化和光网络
本质上，他们的目标是将离子放在单独的离子阱和真空系统中，这些离子阱和真空系统只通过光纤连接
这种方法限制了量子位之间的串扰，只保留了研究人员希望并能控制的相互作用
这意味着，一旦一个运行良好的系统被识别出来，可以添加更多相同的系统，因为新的系统不会影响整体性能
“对于这种方法，也是提高可扩展性的其他策略，使用不同的离子种类是非常有用的，”维拉M
进行这项研究的研究人员之一施弗告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“首先，因为不同的离子有不同的强弱
例如，我们使用一种非常好的记忆和逻辑离子——这意味着它可以存储信息很长时间(50秒，而“正常”的俘获离子量子位为几十毫秒)，用这种离子进行计算时，我们得到的误差非常小；另一个物种在耦合光子方面更好(更快)
其次，因为被捕获的离子的一个问题是它们会随着时间慢慢变热
如果我们有两种不同的物质，我们可以在计算过程中使用第二种物质来冷却离子，这就减少了加热问题
" 为了使用不同的物种来实现俘获离子量子计算应用，研究人员应该能够在这些物种之间传递信息
这可以通过产生两个量子比特的门来实现
在他们过去的一项研究中，谢弗、艾米·休斯和她的同事成功地在不同的钙同位素之间实现了两个量子位的门
然而，在完全不同的原子元素之间实现这样一个门会有用得多
这是因为不同的元素具有非常不同的特性，并且显示不同的跃迁频率
因此，当使用激光技术对一个物种进行手术时，其他物种将完全不受影响
然而，同时，由于这两个元件也可能具有不同的质量，因此控制它们的运动可能要复杂得多
“在我们之前的工作中，我们用一个激光对两种不同的钙同位素进行了门控，这是一个非常自然的决定，因为不同同位素的大多数跃迁频率仍然非常接近，”谢弗说
“然而，我们注意到，对于锶这种最适合与钙一起使用的元素来说，跃迁频率并没有那么远，而且[我们认为]也许我们可以使用同样的方案，对不同元素的不同同位素进行研究
" 钙和锶的跃迁频率之间的相似性极大地简化了手头的问题，最终使研究人员获得了比生产其他混合元素门时更高的保真度
他们成功实现混合物种门可能是实现大规模量子计算的重要一步，同时也允许研究人员同时利用两种不同元素的特性
“俘获离子纠缠门背后的基本思想是通过离子的运动在它们的量子位状态之间建立关联，这种关联是强耦合的，因为它们由于电荷而相互排斥，”谢弗说
“激光可以与离子的运动耦合，例如，将它们推向某个方向
我们可以用不同的激光耦合相反量子位状态的离子
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，它将推动处于状态|1 >的离子，但拉动处于状态|0 >的离子
因此，对于一些量子位状态组合，共同的运动将被取消，而对于其他的增强，我们可以用它来创造纠缠
" 许多之前实现混合物种双量子比特纠缠门的研究人员使用不同的激光来操纵不同的元素
然而，为了做到这一点，研究人员必须确保两个激光器很好地同步和校准，以便它们对两种不同的离子种类有相似的效果
另一方面，谢弗、休斯和他们的同事只使用了一个激光器
这意味着，尽管它们不需要以任何特定的方式进行同步，但它们可用于校准的自由度较少，并且必须确定一个位置，以允许它们以类似的方式耦合两个物种
由于混合物种晶体对特定的外部效应(例如
g
杂散电场)，研究人员在校准过程中必须比实施单一物种门时更加小心
“这个门是用一对激光束(约402纳米)实现的，它可以同时耦合和激发钙和锶的运动，”谢弗解释说
“我们使用三种不同的方法来表征门的性能:测量单个门之后的输出状态，并将其与理想输出进行比较；运行一系列类似于算法的门，并比较两者之间的误差大小；和运行序列来增强不同类型的错误，以表征我们的错误源的性质
" 为了评估他们的门的性能，研究人员使用了三种方法，称为部分状态层析成像，随机基准和门集层析成像
部分状态层析成像包括实现单个门，然后测量其输出状态
“这是最简单也是最常用的方法，”谢弗说
“因为平均而言，我们在1000个门中只能得到两个门的误差，我们必须多次这样做才能得到门误差的准确估计，而且与我们使用的第二种方法相比，更难区分有多少误差是由门本身引起的，有多少是由最终状态的读出引起的
" 施费尔、休斯和他们的同事使用的第二种评估策略是随机化基准测试，它需要实现几个连续的门，同时在它们之间插入不同类型的门，以连续改变输入状态，之后应用每个门
随后，研究人员比较了仅这种随机序列和在随机门之间间歇引入门的序列之间的误差
“随机基准测试更适合测量非常小的误差，因为我们在读出最终状态之前会执行大量的门操作，结果更接近真实算法的预期性能，”谢弗说
最后，门集层析成像，研究人员用来评估他们的门的最后一种方法，试图量化和表征当门被实现时产生的误差
为了做到这一点，它产生的序列被设计成增加特定类型误差的影响，以便量化每种类型误差的总量
使用这种技术获得的信息对试图开发更有效的纠错方案的理论家是有用的
“我认为混合物种的工作有时会有相当复杂和困难的名声，很难做好，”谢弗说
“我们的工作表明，通过选择正确的方案，我们实际上可以实现几乎与单一物种门一样好的混合物种门
也有一些事情，人们可能会担心最初，结果是完全不相关的计划
" 谢弗、休斯和他们的同事最近进行的研究可能最终有助于创造新的更容易放大的俘获离子量子计算方法
在未来，它也可以作为其他研究小组的灵感，他们正试图实现混合物种缠绕门，提供一些关于如何最好地实现这一点的指导
“我们现在正在测试一种不同的混合物种缠绕门机制，并希望比较它们的优点、缺点和要求，以便能够为给定的情况选择最佳方案，”谢弗说
“我们还想在我们的离子-光子纠缠实验中实现这种混合物种门，以展示它在构建可扩展的捕获离子量子计算机中的用途，并使用它来执行纠缠蒸馏
"
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