Los investigadores descubren dos tipos de qubit coherentemente convertibles utilizando una sola especie de ion

Qubits de tipo dual coherentemente convertibles implementados por iones Yb-171. a, un tipo de qubit está codificado en los niveles hiperfinos S_(1/2) que son insensibles al ruido del campo magnético, y el otro tipo en los niveles hiperfinos F_(7/2). Para una conversión coherente entre S-qubit y F-qubit, transferimos los dos estados básicos |0⟩↔|0^'⟩ y |1⟩↔|1^'⟩ simultáneamente usando rayos láser de banda estrecha a través del D_(5) intermedio /2) niveles. b, después de preparar un F-qubit usando rayos láser enfocados, se suprime el error de diafonía debido a las operaciones en otro S-qubit, incluida la preparación del estado, la detección, las puertas y el enfriamiento simpático. Crédito:Yang et al.

Las computadoras de iones atrapados son computadoras cuánticas en las que los qubits (unidades cuánticas de información) son iones atrapados por campos eléctricos y manipulados con láser. Para evitar la diafonía entre qubits cercanos, los físicos e ingenieros diseñan estas computadoras utilizando dos tipos diferentes de qubits.

El uso de dos tipos diferentes de qubits finalmente permite la conexión de errores cuánticos y la creación de redes cuánticas, que facilitan la transmisión de información en las computadoras cuánticas. De los dos tipos de qubits utilizados, uno almacena y procesa información cuántica y el otro realiza operaciones auxiliares, como la recopilación de mediciones del síndrome de error o la ejecución de enfriamiento simpático y entrelazamiento fotónico.

Hasta ahora, la mayoría de los ingenieros que desarrollan computadoras de iones atrapados emplearon dos especies diferentes de iones como estos dos tipos de qubit diferentes. Sin embargo, los investigadores del Centro de Información Cuántica de la Universidad de Tsinghua han demostrado recientemente que se pueden crear dos tipos diferentes de qubit utilizando la misma especie de ion. Sus hallazgos, publicados en Nature Physics , podría abrir vías interesantes para la creación de dispositivos cuánticos de iones atrapados.

"En la computación cuántica de trampa de iones, las operaciones auxiliares dispersan fotones que pueden destruir la información cuántica almacenada en otros qubits, lo que se conoce como error de diafonía", dijo a Phys.org Luming Duan, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Anteriormente, los investigadores tenían que usar dos especies de iones para codificar los dos tipos de qubits, que tienen diferentes frecuencias de transición, para suprimir el error de diafonía. Sin embargo, controlar múltiples especies de iones es cada vez más difícil a medida que el sistema crece, y también es imposible". convertir coherentemente entre dos especies de iones".

Para superar las limitaciones de los enfoques previos de computación cuántica de iones atrapados, Duan y sus colegas codificaron los dos tipos diferentes de qubits en diferentes variedades de estado fundamental de la misma especie de iones, que no tenían interferencias entre ellos. El uso de estos qubits basados en las mismas especies de iones podría simplificar en gran medida la fabricación de dispositivos de iones atrapados, al mismo tiempo que permitiría un mayor control sobre sus qubits.

"Nos dimos cuenta de los dos tipos de qubits utilizando dos pares de niveles de energía de larga duración (niveles S hiperfinos y niveles F hiperfinos) del ion Yb-171 que son insensibles al campo magnético en el medio ambiente", dijo Duan. "Convertimos coherentemente entre estos dos tipos usando rayos láser de banda estrecha a través de un par de niveles intermedios (niveles D hiperfinos). Los dos estados básicos del qubit se convierten simultáneamente usando el mismo láser para suprimir la decoherencia debido al ruido de fase del láser".

Duan y sus colegas evaluaron su nuevo enfoque propuesto para la computación cuántica de iones atrapados en una demostración inicial de prueba de principio. Esta demostración arrojó resultados notables, con sus dos tipos de qubits realizando operaciones importantes mientras retienen la diafonía con qubits adyacentes por debajo del 0,06 %.

"We demonstrate fast and high-fidelity coherent conversion between the two qubit types, and we demonstrate the required operations on one qubit type, including state preparation, detection, single-qubit gates and sympathetic laser cooling, with a crosstalk error on the other qubit type significantly below the threshold of fault-tolerant quantum computing," Duan said.

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." + Explora más