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摘要：通过让光脉冲仅在谐振腔内反射一次，同时利用激光控制原子，从而直接实现连接两个量子系统的受控位移门，有望加速利用混合系统的高性能量子信息处理技术的进一步发展。

关键词：受控位移门、混合量子系统、量子门、光脉冲、一次反射

要点

从理论层面提出一种针对光与原子实现“受控位移门”（一种重要的量子门）的新方法。
仅需让光在谐振腔内反射一次即可完成，相较于需要多次反射的传统技术，可在更短时间内完成运算，并降低计算错误率。
通过连接光与原子这两种性质不同的系统，有望加速利用混合系统实现新型量子计算与量子通信。

研究小组提出一种高效实现量子门的新方法，该量子门可在原子与光这两种性质完全不同的量子系统之间产生量子纠缠。

传统方法是通过让光脉冲在束缚原子的共振腔中多次反射，并结合光的干涉操作来合成一个量子门。然而，这种情况下存在光损耗和量子误差累积等问题。研究小组提出了一种新方法，通过让光脉冲仅在谐振腔内反射一次，同时利用激光控制原子，从而直接实现连接两个量子系统的受控位移门。通过本方法，有望加速利用混合系统的高性能量子信息处理技术的进一步发展。

先行研究

在近年来取得飞速进展的量子信息处理领域，不仅人工制造的芯片，自然界存在的量子系统（例如光和原子）也作为信息载体发挥着积极作用。

例如，如光通信所代表的那样，可以实现高速、远距离传输，同时具有可处理被称为“GKP码”的利于量子纠错的编码的特征。然而，存在着仅依靠光难以执行强量子性操作（非线性操作）的问题。其他量子系统也各有其独特的优缺点。因此，为了弥补单一量子系统难以克服的缺陷，同时最大限度地发挥其优势，人们正在积极研究连接两个具有不同特性的量子系统的混合系统。例如，通过在芯片内集成两个人工量子系统，已经实现了以往单一量子系统难以实现的GKP码的生成和控制。为了充分利用这种混合系统的能力，在不同量子系统之间产生量子纠缠的“受控位移门”是不可或缺的量子门之一。

然而，针对“静止的原子”和“高速移动的光脉冲”，人们目前尚未建立一种能够高效地实现量子门的方法。以前，由于没有既定的方法直接执行受控位移门，需要通过组合不同的门操作来合成。在这种情况下，需要让光脉冲多次反射到束缚原子的谐振腔（被称为谐振量子电动力学系统）内，由于每次反射都会损失光能量，因此存在门的精度降低的问题。

研究内容

本研究提出了一种通过“单次反射法”（即仅让光反射一次）来实现光脉冲与原子之间受控位移门的方法。将原子捕获在谐振腔内，在光脉冲入射到谐振腔的同时，利用激光精确控制原子。由此，反射回来的光脉冲的量子态会根据原子量子比特的状态发生变化。也就是说，无需多次反射，仅通过一次反射操作即可实现受控位移门。

此外，研究小组还推导出一个解析模型，该模型考虑了实际实验中不可避免的损耗，例如谐振腔内的光学损耗和原子的自发辐射。这一模型能够简洁地对所提出的方法进行评估和优化。通过数值模拟，研究小组确认了所推导模型的有效性，并利用该模型进行参数优化，证实了所提出的方法相较于传统方法能够大幅改善门误差（与实际理想操作之间的偏差）（图1）。

图1：针对内部协作系数的门误差。在所提出的方法中，利用推导出的解析模型对谐振腔镜面的反射率进行了优化。与传统方法相比，所提出的方法成功地大幅降低了门误差。

研究影响

光与原子分别作为极具前景的量子系统受到广泛研究，其技术发展势头十分迅猛。在这一技术潮流中，将两者结合的混合系统正被积极研究，以最大限度地发挥各自潜力，实现高性能量子计算和量子通信。

本次，通过新提出高速且低误差率的量子门方法，有望促进实验与理论研究小组的实验验证及应用研究，从而加速混合量子系统的技术发展。

未来展望

本研究不仅提出了一种新型量子门方法，还基于谐振量子电动力学系统的既往研究成果，再次证实了高内部协作系数对于实现低错误率量子操作的重要性。这有望进一步推动高协作系数谐振系统的研发。此外，提出一种高速、低错误率的新方法，以实现由原子和光组成的混合量子系统中的量子门，有望促进量子信息处理技术的社会应用，包括以原子为存储器、光为通信媒介的量子网络。

研究者评论

“通过将光与原子这两种性质不同的物理系统以量子力学方式联系起来，有望实现比目前更快的信息处理速度和更安全的光通信。本次提出的‘单次反射受控位移门’高效地实现了这一关键操作。期待本研究成果能为量子技术的落地应用贡献一份微薄之力。”

https://www.waseda.jp/inst/research/news/84417

https://doi.org/10.1103/234l-q12q

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