[論文レビュー] Characterization and active cancellation of power-line-induced motional-mode frequency noise in a trapped-ion system

Jaehun You, Jiyong Kang+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2026

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ひとこと要約

論文は60 Hzの電力線誘起の trapped-ion の運動モード周波数の変調を特徴づけ、位相因子ベースの補償による能動的打ち消しを実証し、 radial-mode のコヒーレンスを約10 ms から約35 msへ拡張する。

ABSTRACT

The stability of motional-mode frequency is essential for realizing high-fidelity quantum gates in trapped-ion quantum computing. While broadband Gaussian noise has been extensively studied and mitigated using pulse shaping techniques, the impact of coherent periodic noise has remained largely unexplored. Here we report a systematic investigation of 60-Hz power-line noise and its effect on the secular frequencies of a single ${}^{171}\mathrm{Yb}^{+}$ ion. Using spin-echo Ramsey spectroscopy, we characterize the amplitude and phase of the resulting secular-frequency modulation and validate this characterization via passive phase correction of the Ramsey sequence. Building on this, we implement active cancellation by injecting a compensation tone into the set-point of a PI controller that stabilizes the trap RF drive amplitude. A phasor-fitting procedure optimizes the amplitude and phase of the compensation signal, enabling near-complete suppression of the 60-Hz component. With active cancellation engaged, the coherence time of a radial motional mode is extended from approximately 10 ms to 35 ms, consistent with the limit set by motional heating. Our results provide both a clear characterization of periodic motional-mode noise and a practical framework for its suppression in trapped-ion quantum computing platforms.

研究の動機と目的

• 高忠実度ゲートが必要な trapped-ion 量子計算、特に構造化された周期ノイズを扱う動機付け。
• 単一の 171Yb+ イオンにおける60-Hzの電力線誘起の secular-frequency modulation の振幅と位相を特徴付ける。
• 支配的な周期ノイズ成分を抑制する能動的打ち消しワークフローを開発・検証する。
• trapped-ion プラットフォームにおけるコヒーレンスを保つための同調ノイズの同定と軽減の実用的フレームワークを提供する。

提案手法

• スピンエコー・ラムザージー測定法を用いて secular-frequency modulation の振幅と位相を定量化する。
• modulation を delta omega(t)=A cos(omega_m t + phi)としてモデリングし、f_m ~ 60 Hz、n=1,2,3 の CP系列にフィットして A と phi を抽出する。
• Ramsey系列に位相補正を適用して位相特性を受動的に検証する。
• 60-Hz の modulation に counteracting compensation tone を PI コントローラの設定点へ注入して能動的打ち消しを実装する。
• phasor-fitting 手順を実行して residual modulation を最小化することで補償振幅と位相を最適化する。
• 打ち消しの長期安定性を示す（少なくとも1か月間有効）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 radial motional mode における60-Hzの電力線誘起 secular-frequency modulation の振幅と位相はどうなるか？
• RQ2 能動的打ち消しスキームは電力線同期の運動ノイズを抑制し、運動コヒーレンスを延長できるか？
• RQ3 phasorベースの最適化はノイズ打ち消しの最適補償信号をどれだけ正確に回復できるか？
• RQ4 打ち消し後の運動コヒーレンス時間はどれだけ改善されるか？

主な発見

• modulation の振幅はモードと測定に依存して約40〜54 Hz（A/2π）で、dot{n} は CP フィットから約6–14 s^-1。
• modulation の位相は60-Hzラインと同期しており、測定された phi_d は約0.913π〜0.67×2π の範囲で setup によって異なり、X と Y の両方の radial modes で60 Hz に近い。
• 受動的位相補正により抽出された位相が secular-frequency modulation の主な寄与を捕捉していることを検証。
• phasor ベースの最適化を用いた能動的打ち消しは、振幅 V=14(3) mV、位相 arg(-u)=102(10)°、スケール因子 r=0.38(4) mV/Hz、60-Hz 成分を大幅に抑制する最適補償を与える。
• radial mode のコヒーレンス時間は能動的打ち消し下で約10 ms から約35 msへと向上し、dot{n}=15 s^-1 による加熱制限値に迫る。
• 打ち消し設定は少なくとも1か月間有効であり、実用的な長期安定性を示す。