基于囚禁离子的量子信息处理和精密测量技术

报告简介：自上世纪 80 年代，囚禁离子的物理系统作为重要的物理平台用于演示高精密的物理测量。这些实 验展示并发展出了一系列的应用于囚禁离子的量子调控技术，实现单离子的内态和外态的控制。 在这些前期演示的基础上，囚禁离子被提出可以应用于信息的承载，作为实现量子计算的载体 [1]，并自此开启基于囚禁离子量子计算的新篇章。经过近 20 多年的发展，人们演示了囚禁离子量子计算所需要的关键原件及部分算法，但在实现大尺度或通用量子计算的道路上仍然面临众多挑战。 其中主要的问题包括高保真度逻辑门的实现 [2,3]，以及量子系统的可拓展性 [4,5]。这两个方向上 的工作将成为实现大尺度量子计算中的重要基石。
此外，这些发展于囚禁离子体系的量子技术可应用于精密测量科学，辅助拓展其精确度和灵敏性。 其中一个典型的案例是量子逻辑技术于光谱学的应用 [6]。该技术将精密测量技术从少数易于操控的离子拓展到当前技术条件下不易操控的原子离子。而该技术自最初在铝离子钟上的演示之后 [6]，经历一系列的发展，使其可以被应用于，例如分子离子、高电离态离子等，更为广阔的族群 [7– 11]。
[1] J. I. Cirac and P. Zoller, Quantum Computations with Cold Trapped Ions, Phys. Rev. Lett. 74, 4091 (1995).
[2] J. P. Gaebler, T. R. Tan, Y. Lin, Y. Wan, R. Bowler, A. C. Keith, S. Glancy, K. Coakley, E. Knill, D. Leibfried, and D. J. Wineland, High-Fidelity Universal Gate Set for ${^{9}\mathrm{Be}}^{+}$ Ion Qubits, Phys. Rev. Lett. 117, 060505 (2016).
[3] T. R. Tan, J. P. Gaebler, Y. Lin, Y. Wan, R. Bowler, D. Leibfried, and D. J. Wineland, Multi-Element Logic Gates for Trapped-Ion Qubits, Nature 528, 380 (2015).
[4] Y. Wan, D. Kienzler, S. D. Erickson, K. H. Mayer, T. R. Tan, J. J. Wu, H. M. Vasconcelos, S. Glancy, E. Knill, D. J. Wineland, A. C. Wilson, and D. Leibfried, Quantum Gate Teleportation between Separated Zones of a Trapped-Ion Processor, (2019).
[5] Y. Wan, R. Jördens, S. D. Erickson, J. J. Wu, R. Bowler, T. R. Tan, P.-Y. Hou, D. J. Wineland, A. C. Wilson, and D. Leibfried, Ion Transport and Reordering in a 2D Trap Array, Adv. Quantum Technol. 2000028 (2020).
[6] P. O. Schmidt, T. Rosenband, C. Langer, W. M. Itano, J. C. Bergquist, and D. J. Wineland, Spectroscopy Using Quantum Logic, Science 309, 749 (2005).
[7] Y. Wan, F. Gebert, J. B. Wübbena, N. Scharnhorst, S. Amairi, I. D. Leroux, B. Hemmerling, N. Lörch, K. Hammerer, and P. O. Schmidt, Precision Spectroscopy by Photon-Recoil Signal Amplification, Nat. Commun. 5, 3096 (2014).
[8] F. Gebert, Y. Wan, F. Wolf, J. C. Heip, and P. O. Schmidt, Detection of Motional Ground State Population of a Trapped Ion Using Delayed Pulses, New J. Phys. 18, 013037 (2016).
[9] F. Gebert, Y. Wan, F. Wolf, C. N. Angstmann, J. C. Berengut, and P. O. Schmidt, Precision Isotope Shift Measurements in Calcium Ions Using Quantum Logic Detection Schemes, Phys. Rev. Lett. 115, 053003 (2015).
[10] F. Wolf, Y. Wan, J. C. Heip, F. Gebert, C. Shi, and P. O. Schmidt, Non-Destructive State Detection for Quantum Logic Spectroscopy of Molecular Ions, Nature 530, 457 (2016).
[11] D. Kienzler, Y. Wan, S. D. Erickson, J. J. Wu, A. C. Wilson, D. J. Wineland, and D. Leibfried, Quantum Logic Spectroscopy with Ions in Thermal Motion, Phys. Rev. X 10, 021012 (2020).
报告人简介：万雍于2014年7月毕业于德国汉诺威大学和德国物理技术研究院(PTB)，获得博士学位，期间从事囚禁离子精密测量方向的研究。2014年8月至2019年8月在美国国家标准技术研究院(NIST)从事囚禁离子量子计算方向的研究。自 2019年9月加入中国计量科学研究院，研究新兴量子体系的量子调控以及量子信息技术在精密测量物理中的应用。万雍在《Science》、 《Nature》、《Nature Communications》、《Physical Review X》、《Physical Review Letters》等国际知名期刊发表论文 10 余篇；并担任《Physical Review Letters》、《Physical Review X》、《Nature Computational Science》等国际期刊的评审。目前的研究兴趣包括：原子分子物理学、精密测量科学、量子信息和量子计算、量子网络等。