[發明專利]一種超導量子比特和里德堡原子量子態轉移的方法及裝置

有效

• 申請號: 202010109953.7
• 申請日: 2020-02-23
• 公開（公告）號: CN111382873B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 吳煒韜;丁成赟;袁健豪;梁振濤;顏輝
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G06N10/40
• 分類號: G06N10/40;H04B10/70
• 代理公司: 廣州容大知識產權代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 劉新年

本發明公開了一種超導量子比特和里德堡原子量子態轉移的方法和裝置，所述方法包括以下步驟：S1：50mK的制冷平臺的第一超導量子比特與兩端分別熱錨定在50mK的制冷平臺和1K或4K制冷平臺的超導傳輸線腔耦合；S2：超導傳輸線腔與在1K或4K制冷平臺的超導平面波導腔或超導平面LC諧振腔耦合；S3：1K或4K制冷平臺的超導平面波導腔或超導平面LC諧振腔與里德堡原子耦合；S4：利用第二超導量子比特抽取超導傳輸線腔和超導平面波導腔或超導平面LC諧振腔組成的耦合腔系統中的熱光子數。本發明實現了不同制冷平臺的超導量子比特到里德堡原子的量子態轉移，且突破了耦合腔系統中熱光子對量子態轉移的影響，實現了超導量子比特到里德堡原子高保真度的量子態轉移。

技術領域

本發明涉及量子網絡技術領域，尤其是涉及一種超導量子比特和里德堡原子量子態轉移的方法及裝置。

背景技術

超導電路和里德堡原子都可以用作量子比特，超導電路作為量子比特有操作速度快、可擴展性強等優點；里德堡原子作為量子比特有相干時間長等優點。超導量子比特和里德堡原子之間的量子態轉移作為原子量子存儲器的關鍵技術之一，在量子通信、量子網絡等方面有廣闊應用。

傳統超導量子比特和里德堡原子之間量子態轉移在稀釋制冷機中的幾十mK(毫開爾文)的制冷平臺中進行。在屏蔽制冷機的光學窗口的時候，制冷平臺的溫度可以達到14mK，打開光學窗口時，制冷平臺的溫度升到70mK。受制備冷原子所需要的光學窗口和將冷原子激發到里德堡態所需要的高功率的激光影響，mK的制冷平臺很難維持在它最低的溫度，從而影響了超導量子比特的相干性；更進一步，將冷原子激發到里德堡態所需要的高功率激光的散射光會破壞庫珀對導致準粒子增多，從而限制超導量子比特的相干時間。此外，制備冷原子所需要的非均勻梯度磁場引入額外的磁場噪聲也會對超導量子比特的相干性產生不利影響。

2017年，科學家提出了一種通過熱微波網絡實現短距離量子通信的方法。該方法主要是使用冷卻至4K的微波傳輸線實現兩個20mK超導量子比特之間高保真度的量子態轉移，這為構建強大的微波量子網絡提供了新的可能性。

2018年，科學家通過利用在4K(開爾文)制冷平臺的熱超導平面波導腔同時與兩個里德堡原子比特耦合，當熱超導平面波導腔與兩團原子的耦合強度相等時，可以實現高保真度的量子態轉移。同時他們用一團額外的里德堡原子抽取熱耦合腔中的熱光子以提高熱耦合腔與兩團原子的耦合強度不等時的低轉移效率，實現了兩個里德堡原子比特之間高保真度的量子態轉移，同時也展示了里德堡原子在4K制冷平臺有更多的可操作性。

考慮到只是里德堡原子比特之間或超導量子比特之間高保真度的量子態轉移滿足不了實際應用的要求，確實有必要提出一種技術手段，以進一步優化超導量子比特和里德堡原子之間的量子態轉移，一方面不會對50mK的制冷平臺引入額外的熱噪聲和磁場噪聲，另一方面可以用激光制備和操控里德堡原子，同時還可以實現超導量子比特和里德堡原子之間高保真度的量子態轉移。

發明內容

有鑒于此，有必要針對上述的問題，提供一種超導量子比特和里德堡原子量子態轉移的方法及裝置，以利用在1K或4K制冷平臺制備和操控里德堡原子不會對50mK制冷平臺的超導量子比特引入額外的噪聲，通過熱耦合腔可以對兩個量子比特進行量子態轉移等特點，實現高保真度量子態轉移的目的。

為實現上述目的，本發明是根據以下技術方案實現的：

一方面，本發明提供一種超導量子比特和里德堡原子量子態轉移的方法，包括如下步驟：

步驟S1：50mK的制冷平臺的第一超導量子比特與兩端分別熱錨定在50mK的制冷平臺和1K或4K制冷平臺的超導傳輸線腔耦合；

步驟S2：超導傳輸線腔與在1K或4K制冷平臺的超導平面波導腔或超導平面LC諧振腔耦合；

步驟S3：1K或4K制冷平臺的超導平面波導腔或超導平面LC諧振腔與里德堡原子耦合；