[論文レビュー] Experimental Realization of Nonadiabatic Holonomic Single-Qubit Quantum Gates with Two Dark Paths in a Trapped Ion

Ming-Zhong Ai, Sai Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2つのダーク経路を有する4準位系を用いて、捕獲された171Yb+イオンにおいて非断熱ホロノミック単キュービット量子ゲートを提案し、実験的に実証した。共鳴マイクロ波駆動を用いることで、高精度な操作を達成した。ランダム化ベンチマーキングにより、ゲートの精度が98.75%以上に達した。また、従来の非断熱スキームと比較して、ラビ周波数の誤差に対してより高い耐性を示した。これは、高速で耐障害性の高いホロノミック量子計算への有望な道筋を裏付けた。

ABSTRACT

For circuit-based quantum computation, experimental implementation of universal set of quantum logic gates with high-fidelity and strong robustness is essential and central. Quantum gates induced by geometric phases, which depend only on global properties of the evolution paths, have built-in noise-resilience features. Here, we propose and experimentally demonstrate nonadiabatic holonomic single-qubit quantum gates on two dark paths in a trapped $^{171}\mathrm{Yb}^{+}$ ion based on four-level systems with resonant drives. We confirm the implementation with measured gate fidelity through both quantum process tomography and randomized benchmarking methods. Meanwhile, we find that nontrivial holonomic two-qubit quantum gates can also be realized within current experimental technologies. Compared with previous implementations on three-level systems, our experiment share both the advantage of fast nonadiabatic evolution and the merit of robustness against systematic errors, and thus retains the main advantage of geometric phases. Therefore, our experiment confirms a promising method for fast and robust holonomic quantum computation.

研究の動機と目的

• 捕獲イオンにおける幾何位相の性質を活用した、高速かつ耐障害性の高い単キュービット量子ゲートの開発。
• デ coherent 時間の短縮による遅い操作速度といった、断熱ホロノミック量子計算の限界の克服。
• 2つのダーク経路を有する非断熱ホロノミックゲートが、ノイズ耐性を維持しながらより高速な時間発展を可能にすることの実証。
• 現在の捕獲イオン技術を用いて、普遍的な非断熱ホロノミック量子計算の実現可能性の検証。
• 普遍的な量子計算に向けた非自明な2キュービットゲートへのフレームワークの拡張。

提案手法

• ハイパーフィン構造の|0⟩, |1⟩, |2⟩, |a⟩の4準位系を用い、共鳴マイクロ波駆動により非断熱ホロノミックゲートを実装。
• ドレッシング状態のアプローチを用いて2つの縮退したダーク状態を生成し、非断熱時間発展下でも幾何位相の蓄積を可能に。
• 2段階のサイクル的時間発展演算を適用し、それぞれ異なるダーク経路を経由して幾何位相を蓄積。
• ゲートの精度と耐障害性を評価するため、量子プロセストモグラフィーとランダム化ベンチマーキング（RB）を用いる。
• ラマン結合を介したイオンの内部状態と運動フォノンモードを用いて、非自明な2キュービット制御位相ゲートを設計。
• 回転波近似を適用し、ハミルトニアンを有効な相互作用表示に変換して、条件付き幾何位相を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つのダーク経路を有する捕獲イオンにおいて、非断熱ホロノミック単キュービットゲートが高精度を維持しながら実験的に実現可能か？
• RQ2 提案されたスキームは、同じ最大駆動振幅下で、従来の非断熱ホロノミックスキームと比較して、ラビ周波数の誤差に対してより高い耐性を示すか？
• RQ3 同じフレームワークを用いて、普遍的な量子計算に向けた非自明な2キュービットエンタングルゲートを実装可能か？
• RQ4 この非断熱ホロノミックスキームにおいて、デ coherent 時間の短縮がゲート精度にどの程度制限を及えるか？
• RQ5 複雑なレーザー制御を要せず、共鳴マイクロ波駆動のみで高精度な幾何位相ゲートを達成可能か？

主な発見

• ランダム化ベンチマーキングによる測定で、平均ゲート精度が98.75%に達した。主な制限要因はコherency時間であった。
• 非断熱ホロノミックゲートは、同じ最大駆動振幅下で、従来の非断熱スキームと比較して、ラビ周波数の誤差に対して顕著に高い耐性を示した。
• 理論的および実験的結果は、特にデ coherent 効果をシミュレーションに組み込むと、良好に一致した。
• 2キュービット制御位相ゲートは、スピン-フォノンエンタングルメントを用いて171Yb+イオンで実現され、ゲート時間は約500 μs、有効ラビ周波数は約100 μs⁻¹であった。
• このスキームは現在の捕獲イオンプラットフォームと互換性があり、普遍的かつ耐障害性のある非断熱ホロノミック量子計算を可能にする。
• 2つのダーク経路の存在により、幾何位相が特定の系誤差に対して保護され、ホロノミック量子計算のノイズ耐性特性が維持された。