量子力學和經典力學最大的區別在於允許兩個甚至多個不同的態同時存在，也就是量子疊加態。量子計算機的優越性來自於生成並使用這些相干的疊加態，使得我們能夠通過指數增長的態空間進行大量的並行計算。然而，當量子系統不是完美孤立，而和環境有耦合時，相干性會隨時間的增加而衰減，與此同時量子特性也會逐漸消失。這將導致科學家們能夠使用和觀測量子特性的時間窗口很短，侷限了量子技術的應用價值。尤其是量子計算機、量子中繼、量子儲存技術的實現非常依賴穩定的量子演化，因此需要儘量維持量子態的相干性，抑制退相干。相干時間可以描述量子態具有相干性的時長，也可以簡單認為相干時間是量子態被儲存的極限時間。
近年來，科學家們做出了不少傑出的工作以提升不同量子系統的相干時間，尤其是系綜系統。例如Mike L. W. Thewalt 組在同位素純化後的硅-28 中的磷-31 供體系綜中觀察到了39 分鐘的量子相干時間，Matthew J. Sellars 組在正硅酸釔的銪離子摻雜劑系綜中實現了6 個小時的量子相干時間。另外，早在20 年前科學家們就在囚禁離子系綜中觀測到了10 分鐘的量子相干時間。而原則上在量子比特系綜層面進行量子信息的儲存、操作、讀取是困難的，僅僅通過量子比特系綜而非單個量子比特構建量子計算機更加困難。因此科學家們在過去的很長一段時間內都致力於發展在單量子比特層面的操作和控制技術，從而能夠使用某些量子特性(比如量子態的不可克隆原理)，並能夠擴展構建出大規模的完全可控的量子系統。我們認為相較於系綜系統，單量子比特系統與環境的耦合更少，理應具有不亞於系綜系統的相干時間。但是事實卻非如此。我們驚訝地發現，直到我們的工作之前，單量子比特的相干時間最長不超過1 分鐘(離子阱系統)。在其他的單量子比特系統中，比如超導、金剛石色心，量子態的相干時間更短，約為毫秒到秒級別。毫無疑問，提高單量子比特的相干時間是一項重要且困難的工作。
離子阱系統通過電場或磁場囚禁帶電粒子，並能夠很好地隔絕外界噪聲。得益於良好的環境隔離和控制技術，離子阱系統擁有非常多的科學應用，例如質譜分析、精密測量、量子操控和量子模擬。1978 年，David J. Wineland (2012 年諾貝爾物理學獎得主)第一次在離子阱中實現了激光冷卻離子，這使得測量和操作單個量子比特成為可能。經過近40 年的發展，科學家們已經可以熟練地在離子阱系統中操作單個或者多個量子比特、製備糾纏態、進行量子模擬和量子計算。離子阱系統是目前最有可能實現通用量子計算機的平臺之一，其優點是超高的操作保真度、長量子態相干時間和好的可擴展性。近期ChristopherMonroe 組實現了5 個離子組成的小型可編程量子計算機和53 個離子的量子模擬，這更加體現了利用離子阱系統構建大型可控量子系統的潛力。
我們發現限制單離子量子比特相干時間的主要原因是背景加熱。為了不破壞離子量子比特，在儲存量子比特期間不能夠進行激光冷卻，這就導致離子被環境噪聲加熱，從而降低了量子態探測的效率。我們採用協同冷卻的方法來解決離子的加熱問題。實驗中，在離子阱中同時囚禁了兩種不同的離子：138Ba+和171Yb+，138Ba+離子作為冷卻離子，171Yb+離子作為量子比特離子(圖1)。在整個量子比特儲存期間，關閉171Yb+離子的冷卻激光，並常開138Ba+離子的冷卻激光。由於171Yb+和138 Ba+處於同一個簡諧電場勢阱中，多普勒冷卻138Ba+離子就可以協同冷卻171Yb+離子。又由於138Ba+擁有和171Yb+相似的質量，協同冷卻的效果顯著。並且138Ba+的冷卻激光波長距離影響171Yb+量子比特的敏感波長很遠，所以協同冷卻過程不會破壞量子比特的相干性。
圖1 離子阱裝置示意圖。同時囚禁了兩種不同的離子於同一離子阱中，分別為138Ba+離子和171Yb+離子，間距10 μm。用於冷卻和探測兩種不同離子的激光分別都覆蓋了兩個離子的區域。兩個離子會每隔大約5 分鐘交換一次位置，我們沒有觀察到不同位置導致的量子態探測或者單量子比特操作的區別
另一個影響離子量子比特相干時間的重要因素是環境噪聲：磁場噪聲和信號源的相位噪聲。動態解耦是抑制此類噪聲的標準手段。我們可以將噪聲在頻域內進行分解，動態解耦的技術可以看做是噪聲的帶通濾波器，使環境噪聲中大部分的頻率部分自己抵消，只留下某些特定的頻率部分通過。通過控制動態解耦序列的施加時間，能夠控制帶通濾波的頻率和帶寬。在研究了系統的環境噪聲之後，我們設定帶通頻率為2.5 Hz，這是噪聲譜中最小部分的頻率，同時著重抑制了50 Hz，100 Hz，150 Hz 的噪聲，抑制了10 個數量級以上。為了施加上千個動態解耦序列，以抑制環境噪聲，我們還嘗試各種方法以優化了單量子比特門，並使用隨機化基準測試技術測量得到單量子門保真度為99.994%，最大程度減少量子門操作誤差對相干性的影響。但即使擁有如此高保真度的單量子門，在施加了上千個動態解耦操作之後，單量子比特門的誤差也將導致量子相干性的丟失。因此我們採用了更加魯棒的動態解耦序列KDD，以抑制量子操作誤差帶來的影響。綜合以上所有技術，我們製備了6 個初始量子態，並分別測量了相干時間。如圖2所示，對於|↑> 和|↓> 態，相干時間為4740±1760 s，對其他4 個態|↑> + |↓> 、|↑>- |↓> 、|↑> + i |↓> 、|↑> - i |↓> ，相干時間為667±17 s。另外，還對儲存過程進行了量子過程層析，結果如圖2(b)所示。量子過程層析結果表明我們的儲存過程對於任何基矢展開下的量子態都成立。這個性質是實現量子儲存的必要條件，因為只有這樣才能夠在量子儲存過程中不丟失任何相位信息。
圖2 (a)6 個量子態的相干時間測量結果。通過擬合得出：對於|↑> 和|↓> 態，相干時間為4740±1760 s，對|↑> + |↓> 、|↑>- |↓> 、|↑> + i |↓> 、|↑> - i |↓>這4個態，相干時間為667±17 s；(b)8 分鐘儲存的量子過程層析結果。量子過程包含了量子態初始化、8 分鐘的量子儲存和量子態測量。恆等操作是這個量子過程的主要部分， χII = 0.699 ± 0.058 ；(c)Bloch 球上的態演化。灰色網格表面表示初始態，黃色的表面代表8 分鐘儲存之後的態
此工作近期發表於《自然·光學》雜誌。我們注意到系統中單量子比特的相干時間並沒有原理上的限制，可以通過安裝磁屏蔽系統或使用更好的信號發生器繼續提高單量子比特的相干時間。這一成果展示了單量子比特儲存的可能性，也展示了許多量子控制技術的應用。毫無疑問，我們的技術可以應用於多量子比特系統，從而實現多量子比特儲存區域，成為基於離子阱量子計算機的關鍵技術。另外，也可用於通過離子光子糾纏實現的量子網絡，作為離子光子糾纏過程的保障。
本文選自《物理》2018年第5期
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