近日，清华大学交叉信息研究院段路明研究组在双重编码量子比特之间量子逻辑门研究中取得重要进展，首次演示了在钡离子（137Ba+）的 S1/2和 D5/2超精细能级中双重编码的量子比特之间的直接纠缠逻辑门。该方案可减少量子线路中双重编码量子比特之间转换过程，降低整体量子线路的复杂度，在未来量子纠错和离子-光子量子网络中具有广泛应用。
离子阱是构建大规模通用量子计算机最有前景的物理平台之一。在该平台上已成功实现了高保真度的量子比特状态初始化、读出、单量子比特门以及双量子比特门。截至目前，研究组已在一维离子链或量子电荷耦合器件（QCCD）架构中实现了数十个量子比特间的全连接，并在二维（2D）离子晶体中实现了对数百个量子比特的全局量子操控和单点可分辨测量。
近期，研究组提出了一种双重量子比特编码方案，该方案将两种类型的量子比特编码到同一种离子的两组不同能级中。这两种编码的量子比特之间可以通过激光实现相互相干转换，使得量子比特类型可根据实验需求灵活转换，同时保持高协同冷却效率和低串扰误差。
图1. 137Ba+离子的相关能级与打光方案，同时展现复合编码量子比特低磁场敏感性
该工作完成了双重编码量子比特高保真度独立制备与探测，并演示了一种通用逻辑门方案，可以通过拉曼跃迁使用单个激光系统来实现复合编码量子比特之间的纠缠逻辑门。研究组使用137Ba+离子，在S1/2和D5/2超精细能级中编码了两种量子比特，并展示了在S-D离子对之间的纠缠逻辑门操作，实现了96.3(4)%的纠缠态保真度，与同类型的S-S或D-D门相当。该研究表明，使用双重编码量子比特间的纠缠逻辑门，将有利于降低量子线路深度。
图2. 复合编码量子比特纠缠门结果（分别为ss纠缠，dd纠缠与sd纠缠保真度结果）
该研究以“在双重编码量子比特之间实现高保真度量子纠缠门”（Experimental Realization of Direct Entangling Gates between Dual-Type Qubits）为题，发表在学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
交叉信息研究院2021级博士生王晨曦与2021级博士生黄传薪为论文第一作者，交叉信息研究院周子超副研究员和段路明院士为论文通讯作者，论文共同作者包括交叉信息研究院助理教授吴宇恺、侯攀宇，博士生张泓轩、胡鸿源以及华翊量子公司成员毛志超博士。研究得到科技创新2030—“量子通信与量子计算机”重大项目、新基石研究员项目、清华大学笃实专项和启动经费的资助与支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.010601
