[論文レビュー] High-Fidelity Bell-State Preparation with $^{40}$Ca$^+$ Optical Qubits

Craig Robert Clark, Holly N. Tinkey+11 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、表面電極イオントラップ内の$^{40}$Ca$^+$光的キュービットを用いて、532 nmレーザーを用いた光学遷移双極子力（OTDF）ゲート方式により、高忠実度のエンタングルメントゲートを実証した。この方法により、35.2 μsのゲート時間でベル状態の忠実度が0.9994(3)に達し、内在的光子散乱誤差は約1×10⁻⁵にまで抑制された。これは、トラップイオン量子計算における忠実度とゲート速度の顕著な向上を示している。

ABSTRACT

Entanglement generation in trapped-ion systems has relied thus far on two distinct but related geometric phase gate techniques: Mølmer-Sørensen and light-shift gates. We recently proposed a variant of the light-shift scheme where the qubit levels are separated by an optical frequency [B. C. Sawyer and K. R. Brown, Phys. Rev. A 103, 022427 (2021)PLRAAN2469-992610.1103/PhysRevA.103.022427]. Here we report an experimental demonstration of this entangling gate using a pair of ^{40}Ca^{+} ions in a cryogenic surface-electrode ion trap and a commercial, high-power, 532 nm Nd:YAG laser. Generating a Bell state in 35 μs, we directly measure an infidelity of 6(3)×10^{-4} without subtraction of experimental errors. The 532 nm gate laser wavelength suppresses intrinsic photon scattering error to ∼1×10^{-5}.

研究の動機と目的

• 表面電極イオントラップ内の光的キュービットを用いて、高忠実度の2キュービットエンタングルメントゲートを実証すること。
• 532 nmゲートレーザーを遠い周波数シフトで使用することで、トラップイオンのエンタングルメント生成における内在的デ coherent と光子散乱誤差を低減すること。
• 従来のMølmer-Sørensenゲートや光シフトゲートとは異なり、スケーラブルで頑健な代替手段としての光学遷移双極子力（OTDF）ゲート方式の有効性を検証すること。
• 事後処理による誤り訂正を要しない、誤り耐性量子計算に必要な閾値に近いゲート忠実度を達成すること。
• 径方向モード結合を介して、将来のマルチスパイクイオン鎖やより長いイオン鎖への統合を可能にすること。

提案手法

• OTDFゲートは、原子共鳴周波数から遠く離れた532 nmレーザーを用い、双極子力による幾何位相シフトをキュービット状態間で誘発することで、直接励起を回避する。
• キュービット状態は$|\uparrow\rangle = {}^2D_{5/2}(m_j=3/2)$および$|\downarrow\rangle = {}^2S_{1/2}(m_j=1/2)$として定義され、可視光波長での動作が可能となる。
• 磁場フラクチュエーションおよびレーザー位相ノイズによる位相ずれを軽減するために、ハーンスピンエコー系列を適用する。
• 1キュービット操作は、超高分解能ファイバー・コアにロックされた729 nmチタンスapphireレーザーを用いて、高精度な制御を実現する。
• ベル状態の忠実度は、単一キュービット回転と制御位相操作の直後に状態検出を実行するパリティ解析により測定される。
• 統計的不確実性は、実験データのブートストラップ再サンプリングを用いて推定し、忠実度および励起状態分布の信頼区間を算出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 532 nmの遠く離れた周波数シフトレーザーを用いて、$^{40}$Ca$^+$光的キュービットにおいて、顕著な光子散乱やデ coherent を引き起こさずに高忠実度2キュービットエンタングルメントゲートを実装可能か？
• RQ2 OTDFゲートにおける忠実度の低下の主な要因は何か？また、自発的放射や準安定状態の崩壊といった内在的誤差と比較してどうなるか？
• RQ3 729 nmレーザーシステムの位相および強度安定性が、ゲート忠実度に及ぼす制限はどの程度か？また、実測性能と比較してどうなるか？
• RQ4 低温動作を伴う表面電極トラップにおいて、OTDFゲートを実装可能か？これにより、異常加熱の低減とイオン寿命の延長が可能か？
• RQ5 マルチスパイクイオンへのスケーラビリティ、誤差予算、速度の観点から、他の幾何位相ゲートと比較してOTDFゲートの忠実度はどの程度か？

主な発見

• 直接パリティ解析により、ベル状態の忠実度が0.9994(3)に達した。誤差は6(3)×10⁻⁴であり、事後処理による誤り訂正を施さずに測定された。
• 532 nmゲートレーザーにより、内在的光子散乱誤差は約1×10⁻⁵にまで抑制され、誤り耐性量子計算に必要な10⁻⁴の閾値を著しく下回った。
• 忠実度の低下に最も寄与した要因は1キュービットゲート誤差（4パルス）であり、単純推定で約8×10⁻⁴であったが、他の要因を補正した残余誤差を考慮すると実際の影響は低く抑えられていた。
• 自発的光子散乱と準安定$D_{5/2}$状態の崩壊がもたらす合計誤差は約7×10⁻⁵であり、低レベルの内在的デ coherent を示した。
• スピン位相ずれ（レーザーおよび磁場ノイズを含む）に起因する総誤差は<4.1×10⁻⁴に抑えられ、これによりレーザー安定性が今後の改善の主要なターゲットであると示された。
• ゲート時間は35.2 μsであり、高速な量子論理操作と整合する、迅速なエンタングルメント生成を実現した。