近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）离子阱量子计算团队联合清华大学、韩国高等研究院、伦敦帝国理工学院以及国防科技大学等科研机构，在镱-钡混合离子阱系统上，针对多时间点量子关联测量取得显著进展。2024年10月16日，相关研究成果以“Snapshotting quantum dynamics at multiple time points”为题发表在《Nature Communications》上。

与经典系统不同，量子测量往往会对量子系统产生扰动或导致其坍缩，这种现象被称为量子测量的反作用。因此，直接对量子系统进行多次连续测量时，各测量间的相互影响会阻碍获取准确的测量结果，给量子系统时间关联性质的研究带来巨大挑战。

为此，研究团队创新性地提出了一种名为“量子系统演化过程多点成像”的测量方案。该方案通过引入辅助量子系统，对目标量子系统进行间接多次测量，并通过对多次测量数据进行重构处理，有效消除了测量反作用的影响，成功再现了目标量子系统的真实演化过程。团队还在镱-钡混合离子阱系统上进行了实验验证，利用镱离子作为目标量子系统，钡离子作为辅助量子系统。混合离子体系的特点使得团队能够在不破坏目标量子系统的前提下，单独探测辅助量子系统。此外，通过反复探测与重置辅助量子系统，实现了辅助量子比特的复用，从而在仅使用一个辅助量子比特的情况下完成了多次连续测量。

该成果不仅提供了一种全新的、不受量子测量反作用限制的量子系统时间关联性质测量方案，而且通过一组测量即可获得指数级的量子系统统计信息。同时，该实验还展示了混合离子阱体系的众多关键技术能力，包括量子线路执行过程中的部分体系测量和重置、量子比特的复用、混合离子间的信息传递等。这些技术是大规模离子量子计算的必备要素，其成熟应用对于推动离子阱量子计算的规模化发展具有重要意义。

“量子系统演化过程多点成像” 测量方案示意图

“量子系统演化过程多点成像” 实验结果

该论文第一作者是我院王鹏飞助理研究员和国防科大的栾春阳助理研究员以及韩国高等研究院的Hyukjoon Kwon教授。通讯作者为量子院/清华大学兼聘教授金奇奂、伦敦帝国理工的M. S. Kim教授和韩国高等研究院的Hyukjoon Kwon教授。其他重要作者还有清华大学陈文涛助理研究员、乔木、周子楠和王锴钊。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金“第二代量子体系的构筑与操控”重大研究计划等支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53051-5