[論文レビュー] Closed-loop optimization of fast trapped-ion shuttling with sub-quanta excitation

Jonathan David Sterk, Henry Coakley+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 46被引用数 24

ひとこと要約

本論文では、分離型ポールトラップにおける捕獲イオンの高速・低励起シャッフルを実現するための閉ループ最適化による電圧波形の最適化を提示する。サイドバンド分光法とネルダー・ミード最適化法を用いた実験フィードバックに基づく反復的波形最適化により、0.5電極/µs（35 m/s）の3電極移動において、0.36 ± 0.08量子の運動励起を達成した。この性能は軸方向運動の位相に依存せず、準位相補正パulsesや時間遅延の必要性を排除する。

ABSTRACT

Shuttling ions at high speed and with low motional excitation is essential for realizing fast and high-fidelity algorithms in many trapped-ion based quantum computing architectures. Achieving such performance is challenging due to the sensitivity of an ion to electric fields and the unknown and imperfect environmental and control variables that create them. Here we implement a closed-loop optimization of the voltage waveforms that control the trajectory and axial frequency of an ion during transport in order to minimize the final motional excitation. The resulting waveforms realize fast round-trip transport of a trapped ion across multiple electrodes at speeds of $0.5$ electrodes/$\mu$s ($35 ext{m/s}$) with a maximum of $0.36\pm0.08$ quanta gain. This sub-quanta gain is independent of the phase of the secular motion at the distal location, obviating the need for an electric field impulse or time delay to eliminate the coherent motion

研究の動機と目的

• 捕獲イオン量子計算アーキテクチャにおける高速イオンシャッフル中の運動励起を最小化すること。
• 正確な理論的モデルに依存せずに、プロセスの製造ばらつき、背景電場、波形歪みなどの実験的不確実要因を克服すること。
• 高精度なイオン移動を実現するためのモデルに依存しない、実験的駆動の最適化フレームワークを構築すること。
• スケーラブルな量子アルゴリズムに必要な速度を維持しながら、コherenCeを保つこと。
• 位相ロックされた電場インパルスまたは時間遅延による共鳴運動の補正の必要性をなくすこと。

提案手法

• 実験フィードバックを用いて波形を最適化する閉ループ最適化フレームワークを採用する。
• 損失関数は、|0⟩↔|1⟩遷移の統合赤側バンドスペクトルから導出され、平均運動量子数の代理指標として機能する。
• ナールダー・ミードの微分フリー最適化アルゴリズムが、到着地点での複数のホールド時間オフセットにおける最大損失を最小化することで波形を最適化する。
• 210 µmの経路に沿って事前計算された211個の電圧解のセットから、リアルタイムに波形を合成する。各解は固定された2.5 MHzの軸方向周波数を維持する。
• 到着地点での可変ホールド時間によるサイドバンドプロービングにより、位相依存の励起が明らかとなり、全位相サイクルにわたる最適化が可能になる。
• 二段階の最適化を採用する：初期段階では飽和を避けるために短いプローブ時間を用い、その後収束した初期状態から長いプローブを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正確な物理的モデルに依存せずに、実験フィードバックを用いてイオン移動波形を最適化できるか？
• RQ2 実験的不確実要因が存在する中で、高速イオンシャッフルにおける運動励起の最小値はどの程度達成可能か？
• RQ3 到着地点における軸方向運動の位相に依存せず、準位相の励起を達成できるか？
• RQ4 未知のシステムズレを伴う現実世界の条件下で、閉ループ最適化は理論的に導かれたプロトコルと比べてどのように性能を発揮するか？
• RQ5 この手法は、捕獲イオン系や中性原子系における他の量子制御プロトコルのチューニングに一般化可能か？

主な発見

• 最適化された波形は、0.5電極/µs（35 m/s）の3電極移動において、最大で0.36 ± 0.08量子の運動励起を達成した。
• 準位相の励起は、到着地点における軸方向運動の位相に依存せず、位相補正パulsesや時間遅延の必要性を排除した。
• 最適化は150回の関数評価後に収束し、損失関数はさらなる改善に対して感度を失った。
• 製造ばらつき、背景電場、波形フィルタリング効果といった実験的不確実要因を効果的に補償した。
• サイドバンド積分損失を運動励起の代理指標として用いることで、最適化中に高速で信頼性が高く定量的なフィードバックが可能になった。
• 本手法は一般化可能であり、捕獲イオン系、中性原子系、および原子干渉計プラットフォームにおける他の量子制御プロトコルのチューニングに応用可能である。