量子電腦微型化關鍵進展 整合光子雷射達 99.61% 高保真度

美國麻薩諸塞大學阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）與University of California Santa Barbara（UC Santa Barbara）的研究團隊，週四宣布在量子運算領域取得重大突破。他們成功利用整合式光子雷射對鍶離子進行了相干控制，並實現高達 99.61% 的單量子位元閘保真度（single-qubit gate fidelity），這是衡量量子位元操作精準度的關鍵指標，已超越實際可行的量子糾錯（quantum error correction）所需門檻。

這項成就為量子電腦的微型化鋪平道路。目前量子運算系統常受限於體積龐大且脆弱的外部光學元件，形成限制離子阱量子處理器擴展的瓶頸。研究團隊的新系統透過晶片級裝置取代了這些笨重的雷射和複雜光學系統，將複雜的光學設定整合到一個單一晶片上。

新的晶片級裝置運用晶片線圈諧振器來穩定窄線寬可見光雷射，其功能類似於微型音叉，可維持一致的頻率。這種直接在晶片上穩定雷射的技術，不僅能有效操縱量子位元狀態，確保長時間維持穩定頻率，同時克服了傳統離子阱量子位元操作所需複雜光學元件的限制，預示著量子運算系統的微型化與可擴展性。

研究人員在實驗中採用了鍶-88（Strontium-88）離子進行單量子位元及雙量子位元閘操作。經隨機基準測試，單量子位元閘保真度平均達到 99.61% ±0.03%。裸 Ramsey 相干時間測量值為 660 ±9 微秒，而運用自旋回聲技術（spin echo technique）後，相干時間更延長至 1.750 ±0.033 毫秒。此外，研究團隊也成功生成了糾纏貝爾態（Bell state），其保真度為 92.35% ±1.50%。

這項研究為未來在離子阱量子處理器中，實現完全整合光學系統提供了可行的路徑。