[論文レビュー] Demonstration of the QCCD trapped-ion quantum computer architecture

Juan Miguel Rey Pino, Joan Dreiling+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 39被引用数 45

ひとこと要約

この論文は、QCCDアーキテクチャに基づく完全に機能する捕獲イオン量子コンピュータを示しており、スケーラブルなイオン輸送、中間回路測定、並列光制御を統合することで、高精度なゲートと量子ボリューム64を達成した。これは、同一で高精度な量子ビットを用いることで、大規模かつ高性能な量子計算へのQCCD設計の有効性を裏付けた。

ABSTRACT

The trapped-ion QCCD (quantum charge-coupled device) architecture proposal lays out a blueprint for a universal quantum computer. The design begins with electrodes patterned on a two-dimensional surface configured to trap multiple arrays of ions (or ion crystals). Communication within the ion crystal network allows for the machine to be scaled while keeping the number of ions in each crystal to a small number, thereby preserving the low error rates demonstrated in trapped-ion experiments. By proposing to communicate quantum information by moving the ions through space to interact with other distant ions, the architecture creates a quantum computer endowed with full-connectivity. However, engineering this fully-connected computer introduces a host of difficulties that have precluded the architecture from being fully realized in the twenty years since its proposal. Using a Honeywell cryogenic surface trap, we report on the integration of all necessary ingredients of the QCCD architecture into a programmable trapped-ion quantum computer. Using four and six qubit circuits, the system level performance of the processor is quantified by the fidelity of a teleported CNOT gate utilizing mid-circuit measurement and a quantum volume measurement of $2^6=64$. By demonstrating that the low error rates achievable in small ion crystals can be successfully integrated with a scalable trap design, parallel optical delivery, and fast ion transport, the QCCD architecture is shown to be a viable path toward large quantum computers. Atomic ions provide perfectly identical, high-fidelity qubits. Our work shows that the QCCD architecture built around these qubits will provide high performance quantum computers, likely enabling important near-term demonstrations such as quantum error correction and quantum advantage.

研究の動機と目的

• 長年にわたり提唱されてきたQCCD捕獲イオン量子コンピュータアーキテクチャを実現し、スケーラブルで完全に接続された量子計算を可能にする。
• QCCD設計の実現を阻んできたイオン輸送、制御、接続性に関する技術的課題を克服する。
• 低誤差率の量子ビットをスケーラブルなトラップアーキテクチャと高速イオン輸送と統合し、汎用量子計算を実現する。
• プログラマブルなシステムにおいて、トランスポートフィデリティや量子ボリュームといった主要な性能指標を実証する。
• QCCDアーキテクチャが、高パフォーマンスで誤り耐性を持つ大規模量子コンピュータへの実現可能性を検証する。

提案手法

• イオン結晶を2次元アレイに複数捕獲・輸送可能な、ヘニーハイブ冷温表面トラップを用いて電極をパターン形成した。
• トラップ領域間での高速かつ制御されたイオン輸送を実装し、長距離もつれや完全な接続性を実現した。
• 複数のイオンにわたる量子ビットの初期化、単一量子ビットゲート、測定を並列光で実現した。
• 中間回路測定を統合し、量子テレポーテーションによるCNOTゲートの実装を可能にした。これは誤り訂正のための主要な素子である。
• プログラマブルプロセッサを用いて、量子ボリュームとゲートフィデリティの指標による性能ベンチマークを実施した。
• 原子イオン量子ビットが持つ内在的な高精度・同一性を活かし、スケーリングに伴う低誤差率を維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCCDアーキテクチャは、スケーラブルなイオン輸送と完全な接続性を備えた捕獲イオン系で完全に実現可能か？
• RQ2 中間回路測定とイオン輸送を実装したシステムで、達成可能なゲートフィデリティと量子ボリュームは何か？
• RQ3 スケーラブルなトラップアーキテクチャ内でも、高精度な量子ビットを維持・統合できるか？
• RQ4 高速イオン輸送、並列光学、中間回路測定の組み合わせが、汎用量子計算を可能にするか？
• RQ5 QCCD設計は、量子誤り訂正などの近い将来の量子優位性を実現できるか？

主な発見

• 量子ボリュームは $2^6 = 64$ に達し、汎用量子計算の能力を示した。
• 中間回路測定を用いて高精度なテレポートドCNOTゲートを実装し、高度な量子制御の実現可能性を確認した。
• イオン輸送と並列光制御を備えたスケーラブルなトラップアーキテクチャにおいても、小型イオン結晶に見られる低誤差率が維持された。
• イオン輸送、制御、測定のすべてのQCCDコンponentsが、1つのプログラマブルプロセッサに統合され、正常に動作した。
• 結果として、QCCDアーキテクチャが大規模でフェイルセーフな量子コンピュータへの実現可能性と高いパフォーマンスを有する道筋であることが裏付けられた。
• このシステムの性能は、量子誤り訂正や量子優位性といった近い将来の実証の可能性を支持する。