科学家构建可扩展和可编程声子网络，将分束器操作推进1个数量级

随着科学家对量子计算的深入研究，慢慢地掀起研究玻色子系统的“热潮”，并在解决量子化学问题、增强随机算法和量子机器学习方面表现出应用潜力。

目前，可编程玻色采样的应用主要集中在量子化学领域。同时，也有在优化问题和机器学习领域应用的可能性。

利用玻色子系统，可以将分子中电子的结构映射到其所包含的模式上，通过分束器、相移器，以及模式的位移和挤压操作，将电子间的相互作用映射到玻色子所处的模式之间，从而实现对特定分子电子结构的模拟和谱线测量。

图丨用于离子阱量子计算平台的刀片阱系统（来源：清华大学金奇奂研究组）

近期，清华大学团队第一次在离子阱平台上，以可编程、可扩展的方式在实验上演示了集体振动模式的操控，并实现了错误率约为 1% 的单个 50：50 分束器操作。解决了该领域长期以来对于频率相近的振动模式，无法进行高保真度操作的问题。

他们演示了一个最小损耗的可编程声子网络，其中任何声子状态都可以在多达四个集体振动模式上被确定地准备和检测，并且该系统可以被扩展并揭示量子优势。这项工作提供了一个清晰的路径，能将声子网络扩展并在量子信息处理上使用，超越了经典和光子系统的一些局限。

此外，该团队实现了单声子态和双声子态的高保真度重构。值得关注的是，此前的分束器操作保真度一般在 90% 以下，该研究将保真度推进了 1 个数量级。基于这一条件，单声子和双声子态重构的保真度分别达到了 94.5% 和 93.4%。

将一个灵活的玻色采样系统实现在离子链上，一直是该领域希望解决的挑战。因此，审稿人认为作者的研究非常及时。该论文遵循了一个清晰的论证线路，数据展示得非常美观，分析也非常严谨。“这个方案展示了一条实现更大规模的玻色采样器的现实路径，所使用的集体模式方案比之前的局部模式方案有了明显的改进，因为它具有更长的范围和更可控的相互作用。”

陈文涛本科毕业于西安交通大学物理试验班，目前，他在清华大学物理系攻读博士学位，师从金奇奂教授，其主要的研究方向是离子阱量子计算。他指出：“当模式数量与声子数量较大，且操作保真度较高时，同样可以在经典计算模拟无法达到的精度下，对于大分子的结构进行更加准确的分析，或对其性能进行预测。”

图丨相关论文（来源：Nature Physics）

近日，相关论文以《可扩展可编程的捕获离子声子网络》（Scalable and Programmable Phononic Network with Trapped Ions）为题发表在 Nature Physics 上[1]。

清华大学物理系博士研究生陈文涛为论文的第一作者兼通讯作者，英国帝国理工大学金明植（M.S.Kim）教授与清华大学金奇奂教授为论文共同通讯作者。

实现可扩展、可编程离子阱量子处理器

玻色子在通过分束器和移相器时，在不同模之间演化的网络已被用来证明量子计算的优势。虽然这种网络大多是在使用光子的光学系统中实现的，但最近解决光子系统主要限制的替代实现已经被发现。被捕获离子的振动模（声子）的量子化激发，是获得玻色子网络的很有前途的途径之一。

目前，光子系统在玻色子采样的领域已经取得了一系列重大的进展，玻色采样实验在大规模系统中已经被证明取得了量子优势，这对于玻色子系统的复杂度是极好的证明。

现阶段，更多的研究主要朝着实现可编程玻色子系统迈进，已经有多个研究分别在线路深度、系统模式和光子数上分别演示了可编程的光子芯片或者光子处理器。

当前，光子系统的主要限制来自于光路中的光子损耗，绝大多数设备都无法实现 100% 效率的光透过率，这导致了系统中最终被探测到的光子数往往少于初始输入系统。在一定程度上，该问题可通过高斯玻色采样解决，通过将光子态挤压，来减少光子的波函数在一个方向上振幅的不确定度，从而为光子损失过程提供了一定的保护。

在离子阱系统，带电离子在简谐势场中的运动，具有量子化的运动模式和对应的能量，该能量被称为“声子”。由于在一个模式上的声子数能无限增加，其具备玻色子的性质，从理论上具备构建玻色子系统的可能性。

而处在超高真空和较强电磁屏蔽环境中的离子，其运动模式收到环境干扰的激发极小，特别对于各向异性的振动模式，即使系统中存在着一定量的噪声，由于噪声波长往往大于离子链长度，这些模式的声子数也可以得到较好的保护。

图丨陈文涛（来源：陈文涛）

在离子阱系统中，对于模式间声子数交换的探索可以追溯到 2013 年。当时研究团队验证了处在双势阱中的两个离子间的运动能量，可以缓慢地通过库仑相互作用进行交换。

然而，实现一个完全可控的声子分束器并不容易。直到 2018 年，金奇奂课题组才第一次演示了单离子不同方向上振动模式，在激光控制下的能量交换。这需要对激光和离子模式都具备较好的控制和稳定能力，同时也需要理论方案的支持。

图丨一个基于离子阱系统的玻色子采样器[2]。（来源：Nature Physics）

在此基础上，课题组成员自然地联想到，如果可以用激光来操控紧密连接的离子链，来激发并控制其集体振动模式，也许可以像光学系统那样，特定性地制备并干涉这些模式。

将分束器操作保真度推进 1 个数量级

该研究大约经历了两年半的时间。此前，该团队已经在单离子上对于两个频率差较大的模式演示了分束器操作[3]。在此基础上，他们将分束器的保真度提高到 99%，并且首次在同方向上分布更密集的集体振动模式上演示了声子的一系列操作。

（来源：Nature Physics）

该研究可理解为对技术的提高和对于已有原理的验证。同一个方向的集体振动模式频率十分接近，因此在研究过程中，该团队最初遇到的主要问题是如何精确地将它们区分开来，并尽可能地减少模式之间的串扰。

陈文涛表示：“为了解决这个难题，我在实验上尝试了大量的参数，同时尽可能地优化系统本身的性能。通过这种方式，来实现高保真度的声子分束器操作。”

图丨（a）单声子态重构实验结果；（b）双声子态重构实验结果（来源：Nature Physics）

与此同时，他在理论计算和数值模拟上也做了大量的工作。通过将系统中的各种可能的噪声和干扰考虑在内，在模拟中追求精确复现每次实验的结果并进行比对，最终找到了较为合适的参数，将各个噪声源带来的误差总和降到最低，从而完成了第一步的目标。

之后，该团队尝试演示第一个声子态重构实验。在实验中，他们又发现了新的问题。由于声子间距离较近，单个分束器会对相邻模式产生一定的相位旋转，从而导致实验结果完全偏离理论计算。

“因为这部分完全是之前研究的盲区，因此我们也困扰了很久。最终在大家一次次讨论和不断实验中找到了问题的根源，并提出了对应的解决方案，真正地实现了一个可编程且保真度高的声子计算网络。”陈文涛说。

量子计算是当下科学研究的前沿领域，具有广阔的前景和光明的未来。陈文涛认为，当前主要应该解决的科学难题应该是如何构建一个高性能的量子计算平台。“这是一个科学问题，同时也是一个工程问题，需要多领域协同发展，共同研究。”

参考资料：

1.Chen, W., Lu, Y., Zhang, S. et al. Scalable and programmable phononic network with trapped ions. Nature Physics (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-01952-5

2.https://doi.org/10.1038/s41567-022-01922-3

3.Shen Y, Lu Y, Zhang K, et al. Quantum optical emulation of molecular vibronic spectroscopy using a trapped-ion device[J]. Chemical Science 9(4): 836-840(2018). https://doi.org/10.1039/C7SC04602B