量子比特相干時(shí)間破紀(jì)錄 清華大學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

當(dāng)前，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技發(fā)展十分迅速，成為國內(nèi)外科技企業(yè)、研究所角逐的中心。

近日，清華大學(xué)交叉信息院量子信息中心金奇奐研究組在量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在離子阱系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了超過一個(gè)小時(shí)的單量子比特相干時(shí)間，刷新了此前 660 秒的紀(jì)錄。

提升量子系統(tǒng)的相干時(shí)間一直是量子科技領(lǐng)域的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。而作為最有潛力實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的平臺(tái)之一，離子阱系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)之一就是較長的相干時(shí)間。其中，相干時(shí)間直接限制了量子計(jì)算機(jī)可以連續(xù)進(jìn)行量子操作的最大次數(shù)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)高保真度量子操作的前提條件。除量子計(jì)算外，相干時(shí)間對(duì)量子通訊以及量子精密測(cè)量領(lǐng)域也都具有重大意義。

據(jù)了解，清華大學(xué)交叉信息院量子信息中心金奇奐研究組于 2017 年實(shí)現(xiàn)了擁有超過 10 分鐘相干時(shí)間的單量子比特儲(chǔ)存(量子信息技術(shù)中的基本單元)，這是目前為止單量子比特相干時(shí)間的世界紀(jì)錄，將之前的世界紀(jì)錄提高了 10 倍。

基于這一研究成果，本次實(shí)驗(yàn)明確了其主要限制因素：微波信號(hào)相位噪聲，殘余磁場(chǎng)漲落以及微波信號(hào)泄漏。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中，研究組將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)放置于雙層磁屏蔽系統(tǒng)中減少環(huán)境磁場(chǎng)噪聲與量子系統(tǒng)的耦合，通過增加激光以及微波信號(hào)隔離度減少信號(hào)泄露對(duì)系統(tǒng)的干擾，通過優(yōu)化本地微波振蕩器的參考降低微波信號(hào)相位噪聲。

此外，為進(jìn)一步抑制噪聲，研究組采用動(dòng)力學(xué)解耦技術(shù)，并根據(jù)噪聲環(huán)境優(yōu)化脈沖參數(shù)進(jìn)一步降低各類噪聲源影響。最終量子比特相干時(shí)間提升到了 5500 秒，相較于之前有一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。

該成果的研究論文(Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour)于近日刊發(fā)于國際學(xué)術(shù)期刊《自然 · 通訊》。其進(jìn)一步詳細(xì)分析并量化了限制離子量子比特相干時(shí)間的其它因素，為進(jìn)一步提升相干時(shí)間奠定了基礎(chǔ)。