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新进展!中科大郭光灿团队实现囚禁离子量子态快速高保真度读出

新进展!中科大郭光灿团队实现囚禁离子量子态快速高保真度读出9月12日消息,近期我校郭光灿院士团队在囚禁离子量子态读取方面取得新进展:该团队李传锋、黄运锋、崔金明等人利用机器学习算法,在现场可编程门阵列(FPGA)上同时实现了离子量子比特的快

新进展!中科大郭光灿团队实现囚禁离子量子态快速高保真度读出

9月12日消息,近期我校郭光灿院士团队在囚禁离子量子态读取方面取得新进展:该团队李传锋、黄运锋、崔明等人利用机器学习算法,在现场可编程门阵列(FPGA)上同时实现了离子量子比特的快速、高保真度读取。该项研究成果于2019年7月22日发表在应用物理权威期刊《Physical Review Applied》上。


离子阱可以稳定地囚禁离子阵列,离子之间的库仑力提供了长程相互作用,是量子信息研究的理想实验平台。实现可容错量子计算需要高质量的量子操作,其中包括高保真度量子逻辑门和量子比特量子态读取,因此实现快速、高保真度量子态读取具有重要意义。在离子阱系统中,一般采用离子荧光探测的方法获得一段时间内的光子计数,通过阈值甄别的方法判断离子处于“亮”或“暗”态,这种方法获得的信息较少,不能达到较高的保真度。


李传锋研究组提出了利用机器学习算法分析光子到达探测器时间序列的方法来甄别离子态。相比阈值甄别,可以在更短的时间内获得更高的保真度。为了实现对离子态的快速实时读取,研究组进一步在现场可编程门阵列(FPGA)硬件上编程,并运行机器学习算法,在总时间170微秒内对Yb171离子读取保真度大于99.5%,其中包含了荧光探测时间和硬件算法运行时间。


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该工作研发的硬件容易进一步开发成功能模块,可以应用于现有离子或者原子荧光态读取实验体系上,从而在不改变其他实验条件的前提下,提高量子态读取的速度和保真度。


论文第一作者是中科院量子信息重点实验室本科生丁子涵。上述研究得到科技部、国家基金委、中国科学院和安徽省的支持。


附文章链接:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.014038


光钟是利用原子的光学跃迁为参考的原子钟,光钟的发展关系到国家计量标准、国家信息建设等重大国家需求。光钟除了在时间基准方面的应用,在基础物理前沿领域研究中也有着广泛的应用,如验证精细结构常数a随时间的变化、寻找暗物质和探测引力波等。2010年以来,国际上Derevianko等人在理论上指出高离化态离子(HCI)适合研制不确定度达到10-19甚至更低的光钟,而且对a常数变化比现有光钟体系更加灵敏。因此,利用HCI光钟进行a常数随时间变化的检验有着非常特殊的优势。


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2015年,德国马普研究所的Crespo López-Urrutia研究组和德国PTB的Schmidt研究组合作,率先开展了基于Ar13+的HCI光钟的研究,目前已经实现了Ar13+的协同冷却,正在进行逻辑光谱的研究。


虽然国外已经在HCI光钟研究方面取得了很大进展,但目前国际上尚未实现HCI光钟的锁定。中国科学院武汉物理与数学研究所、中国科学院物理研究所和复旦大学开展了HCI光钟的理论和实验研究。


理论上,中科院物理所分析了含58Ni12+和61Ni15+等HCI离子的跃迁波长和能级寿命等信息。研究表明这些HCI离子非常适合研制不确定度达10-19甚至更小的光钟。


实验上,要实现HCI光钟,首先需要实现HCI离子的稳定产生装置。为此,中科院武汉物数所与复旦大学合作,通过两年的攻关,成功研制了一台小型高温超导电子束离子阱(SW-EBIT),并以钨HCI离子为例进行了HCI离子产生、引出、电离态分析以及光谱分析等测试。测试结果表明,该EBIT具备产生并引出上述HCI光钟候选离子能力,可以作为HCI光钟所需的离子源。该工作于9月3日发表在《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments)杂志上。


以上工作是HCI光钟研制中非常关键的步骤,为后续开展HCI离子的减速、协同冷却等研究打下了坚实的基础。以上工作得到中科院战略性先导科技专项(B类)——基于原子的精密测量物理的资助。


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