13 能级囚禁离子 qudit 的控制与读出

为了实现能展示量子优势的有用量子算法,我们必须将当前已演示的量子计算机大幅扩展规模。囚禁离子等主流平台在增加更多信息载体方面面临物理挑战。一条较少探索的扩展计算空间的途径是利用囚禁离子丰富的能级结构来编码多级 qudit,而非两级 qubit。在此,我们展示了对多达 13 个计算态的 qudit 的控制和单次读出,所用协议可直接扩展至操纵我们所选信息宿主 $^{137}\text{Ba}^{+}$ 中多达 25 级的 qudit。这相比此前囚禁离子的工作,每个 qudit 的计算态数量超过两倍。除我们展示的制备和读出协议外,通用量子计算还需要其他量子逻辑基元,如纠缠门。这些基元已在较低 qudit 维度上得到演示,并可直接推广至我们所采用的高维度。因此,我们的进展为使用高维 qudit 进行大规模量子计算开辟了一条途径。我们预期高效利用囚禁离子中可用的能态,将在应对囚禁离子量子计算机计算空间扩展挑战中发挥显著且互补的作用。qudit 架构还提供其他实际益处,包括放宽量子纠错的错误容忍阈值、为更高自旋系统的量子模拟提供途径,以及更高效的 qubit 门。