近日，清华大学交叉信息研究院段路明院士离子量子计算课题组在高核自旋离子量子比特的声子基态冷却方案上取得重要实验进展：首次在核自旋为3/2的137Ba+离子中实现电磁感应透明（EIT）冷却。该方案使用EIT效应中类法诺（Fano）线型的光谱设计，可以实现在宽频率范围内同时冷却所有声子模式。此方案可以适用于具有相似核自旋结构（I＞1/2）的大规模离子晶格, 为高核自旋离子在未来规模化离子量子计算中的应用解决了一个重要障碍。
离子阱是一个强大而多功能的平台，在量子信息处理（QIP）、精密光谱学和基础物理测试等领域具有广泛的应用。为了实现高保真量子信息处理，研究人员需要将离子的相关运动模式冷却到尽可能低的温度。电磁感应透明（EIT）冷却可以提供较快的冷却速率和较宽的冷却带宽，同时保持了较低低冷却极限（n¯≈0.1），使其成为大离子晶体量子计算和量子模拟的合适冷却方法。然而，对于在低或中等磁场下具有高核自旋I＞1/2的离子，由于难以找到孤立的Λ能级结构，如何实现有效的EIT冷却是具有挑战性的。
图1.137Ba+的相关能级与打光方案
该工作中，研究人员演示了用137Ba+离子（I=3/2）进行EIT冷却。研究人员修改了用于量子比特状态初始化的激光设置，以在开放系统中执行EIT冷却。尽管在EIT冷却过程中S态所有zeeman能级都涉及到动力学，但EIT泵浦光束同时作为再泵浦光束，将所有态保持在冷却子空间中。研究人员在实验上将单个137Ba+离子的两种径向模式声子分别冷却到0.08和0.15。通过使用相同的激光参数，研究人员进一步将五个离子链的所有径向模式冷却到接近基态。
图2. 单离子与五离子冷却结果
研究介绍了一种适用于在低磁场下具有高核自旋的离子种类的EIT冷却方案，并成功在单个137Ba+离子和五离子链上实现了该方案，获得了远低于多普勒冷却的平均声子数极限。此方案可以自然地拓展到其他具有高核自旋的离子/原子种类，并且可为大规模高核自旋离子晶体提供有效的冷却机制。
相关研究成果以“高核自旋离子的电磁诱导透明冷却”（Electromagnetically Induced Transparency Cooling of High-Nuclear-Spin Ions）为题，于9月13日发表于《物理评论快报》（Physics Review Letters）。
清华大学交叉信息研究院2021级博士生黄传薪、王晨曦为论文第一作者，交叉信息研究院副研究员周子超和段路明院士为论文通讯作者。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吴宇恺、侯攀宇，博士生张泓轩、胡鸿源、王祖卿、李世蛟，华翊量子公司成员毛志超博士。研究得到科技创新2030—“量子通信与量子计算机”重大项目、新基石研究员项目、清华大学笃实专项和启动经费的资助与支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.113204
