[論文レビュー] Blueprint for a microwave ion trap quantum computer

B. Lekitsch, Sebastian Weidt+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、シリコンマイクロフォーケーションを用いたスケーラブルでモジュラーなマイクロ波イオントラップ量子コンピュータアーキテクチャを提示しており、長波長放射とグローバルレーザー／マイクロ波場を介して、誤り耐性のある量子計算を実現する。この設計ではモジュール間でのイオン輸送を可能としており、任意に大きなシステムを構築可能であり、誤り訂正に高閾値のサーフェスコードを統合できる。

ABSTRACT

and industrial community is working towards the realization of such a device. A large scale quantum computer is best constructed using a modular approach. We present the blueprint for an ion trap based scalable quantum computer module which makes it possible to create an arbitrarily large quantum computer architecture powered by long-wavelength radiation. This quantum computer module controls all operations as a stand-alone unit, is constructed using silicon microfabrication techniques and within reach of current technology. To perform the required quantum computations, the module makes use of long-wavelength-radiation quantum gate technology and relies only on a vacuum environment and global laser and microwave elds. To scale this microwave quantum computer architecture beyond one module we also present a new approach that makes use of ion transport between dierent modules, thereby allowing connections between arbitrarily many modules for a large scale architecture. A high-error-threshold surface error correction code making use of such module interactions can be implemented in the proposed architecture to execute fault-tolerant quantum logic operations. With only minor adjustments these modules are also suitable for alternative ion trap quantum computer architectures, such as schemes using photonic interconnects.

研究の動機と目的

• 現在の小規模実装の制限を克服するため、イオントラップに基づくスケーラブルでモジュラーな量子コンピュータアーキテクチャの開発。
• モジュラー相互作用を通じて、高閾値のサーフェスコードを用いて誤り耐性のある量子計算を実現すること。
• 既存のシリコンマイクロフォーケーション技術および真空環境と互換性のある自己完結型の量子コンピューティングモジュールの設計。
• 複数のモジュールを接続するためのスケーラブルなモジュール間アーキテクチャを、イオン輸送を用いて提案すること。

提案手法

• 統合性とスケーラビリティを実現するため、シリコンマイクロフォーケーション技術を用いた独立型の量子コンピューティングモジュールを設計。
• イオンの制御に、長波長放射（マイクロ波）とグローバルレーザー・マイクロ波場を用いて、量子ゲートを実装。
• 別々のモジュール間での制御されたイオン輸送を介して、モジュール間接続性を実現し、単一ユニットを超えたアーキテクチャのスケーリングを可能にする。
• モジュール間の相互作用を活用して、誤り耐性のある量子論理を実現する高閾値のサーフェス誤り訂正コードを統合。
• わずかな設計変更により、光ファイバーインターコネクトを用いる代替アーキテクチャとも互換性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の製造技術を用いて、スケーラブルでモジュラーなイオントラップ量子コンピュータをどのように設計できるか？
• RQ2 長波長放射は、トラップされたイオン系において信頼性が高くスケーラブルな量子ゲート操作を可能にするか？
• RQ3 サーフェスコードを用いたモジュラーなイオントラップアーキテクチャで、誤り耐性のある量子計算をどのように達成できるか？
• RQ4 イオン輸送を用いた大規模量子コンputingに向けたスケーラブルなモジュール間接続性を実現するメカニズムは何か？
• RQ5 提案されたモジュール設計は、光ファイバーインターコネクトを用いる代替アーキテクチャにどの程度適合可能か？

主な発見

• 提案されたモジュールは完全に自己完結的であり、既存のシリコンマイクロフォーケーション技術と互換性があるため、近い将来の技術的実現可能性が保証される。
• 量子操作はグローバルマイクロ波およびレーザー場を用いて実行され、複雑なビーム形状制御の必要がなく、スケーラビリティが向上する。
• モジュール間でのイオン輸送により、任意の接続性を持つ大規模量子コンピュータアーキテクチャの構築が可能となる。
• アーキテクチャは高閾値のサーフェスコードをサポートしており、モジュール間の相互作用を通じて誤り耐性のある量子論理操作が実現可能となる。
• わずかな修正で、光ファイバーインターコネクトを用いる代替アーキテクチャにも適応可能である。