清华大学交叉信息研究院段路明课题组在离子阱量子计算领域取得重要实验进展，首次实现了二维离子阵列上全连通的量子纠缠逻辑门。研究人员搭建二维寻址系统实现了串扰误差低于0.1%的单离子寻址操作，设计实现了交替寻址的两比特量子纠缠逻辑门，并演示了寻址方案的可扩展性，为利用更大规模的二维离子阵列实现通用量子计算奠定基础。
离子阱系统由于其高保真度的量子操作和长程的量子纠缠连通性等优势，被认为是最有希望实现大规模通用量子计算的实验平台之一，但如何扩展离子量子比特的数量，仍是当前研究中有待解决的重要问题。近期，研究人员提出基于二维离子阵列的规模化方案并实现了300量子比特的全局量子模拟，但二维离子阵列的寻址及量子纠缠逻辑门尚未在实验中实现。
图1.基于声光偏转器的二维寻址方案和实验所用四离子二维阵列图像
本工作中，研究人员利用正交放置的声光偏转器实现激光的二维寻址，并通过对称光路实现四离子二维阵列中任意离子的拉曼跃迁，得到了低于0.08%的串扰误差。研究人员进而同时寻址同一行或同一列两个目标离子，利用对激光的相位调制分别得到98.6%和98.4%的两比特量子纠缠逻辑门保真度。
图2.利用交替寻址方案实现斜向离子对的两比特量子纠缠逻辑门
为实现全连通的量子纠缠逻辑门，研究人员设计了交替寻址两个目标离子的量子纠缠逻辑门方案，以克服杂散光斑造成的串扰误差，并将其应用于斜向离子对，得到了96%的保真度。为了进一步将该方案扩展至更大规模的二维离子阵列，研究人员分析了离子微运动对于逻辑门的影响，实验验证了其效应可通过对寻址光功率的重新校准来进行补偿。该工作为基于二维离子阵列的大规模通用量子计算方案铺平了道路。
图3.离子微运动对两比特量子纠缠逻辑门的影响
相关研究成果以“二维离子阵列上的全连通量子纠缠逻辑门”(Individually Addressed Entangling Gates in a Two-Dimensional Ion Crystal)为题，于11月9日发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。
清华大学交叉信息研究院2019级博士生侯云瀚、2021级博士生易雨瑾与助理教授吴宇恺为论文共同第一作者，交叉信息研究院段路明院士为论文通讯作者。其他作者包括交叉信息研究院博士生陈跃元、张霖、许煜麟、郭世安、叶京，助理研究员祁宾祥、副研究员周子超、助理教授侯攀宇，以及华翊量子公司成员王也、张弛、梅全鑫、杨蒿翔、马剑宇。研究得到科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目、清华大学自主科研计划、教育部、新基石研究员项目、清华大学笃实专项、水木学者博士后研究经费和清华大学启动经费的资助与支持。
