苏州大学光电科学与工程学院Joel Moser教授团队延英副教授在国际权威Nature合作期刊《npj Quantum Information》(SCI一区,影响因子:7.385)上发表题为“Experimental implementation of precisely tailored light-matter interaction via inverse engineering”的研究论文。

在存在退相干和物理约束的情况下对量子态进行精准操控是量子科学技术中至关重要的一步,如量子精密测量、量子信息处理、和量子计算等。基于稀土离子的量子比特系统,其相干时间可以长达6小时,是一个非常具有吸引力的量子计算机载体。而在该系统中,对系综量子比特的高精度操控,面临三方面的退相干因素:(1)电子在激发态的衰退;(2)系综量子比特离子之间存在的频率失谐现象;(3)周围其它量子比特带来的干扰。为了克服这三个因素的影响,量子操控必须足够快,对频率失谐量具有高鲁棒性,且对其它量子比特具有足够低的非共振激发。同时满足这三个要求非常困难,尤其是后两个同在频域内。先前在这一系统中,研究者使用了绝热量子操控,由于速度较慢,所以操控错误率在7%。 为此,如何降低操控错误率已成为近年来稀土离子量子系统所面临的一大挑战。

研究者基于绝热捷径技术,巧妙地设计出含有多个自由度的非绝热光脉冲,通过优化这些自由度可以同时克服上述三个退相干因素的影响。并且与瑞典隆德大学原子物理系的Stefan Kröll教授课题组合作,在稀土离子系统中在实验上演示了对量子态的高精度操控。实验结果表明,量子操控错误率降低了3倍。

该实验工作标明,研究者提出的理论方案,为具有退相干机制的实验系统,提供了一个切实可行的提高量子操控精度的办法,推动了稀土离子量子计算方案的实验进展,为进一步实现多量子比特之间的量子操控奠定了基础;而且该方案还可以应用于所有依靠频率寻址的物理系统,如超导量子比特系统、NV色心量子比特系统,以及分子量子比特系统等。

下图依次为:实验原理图、稳频激光光源、|0>-|1>之间的量子操控实验与数值模拟结果、|1>-|sup>(叠加态)之间的量子操控实验与数值模拟结果。

    全文链接:https://doi.org/10.1038/s41534-021-00473-4

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