[論文レビュー] High-fidelity gates with mid-circuit erasure conversion in a metastable neutral atom qubit

Shuo Ma, Genyue Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 57被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、長寿命のコherencyを実現するための核スピンを用いた準安定状態 171Yb の中性原子量子ビットを示しており、6s6p ³P₀ 态の核スピンを用いて長時間のコherencyを達成している。単一量子ビットゲートのfideliyは 0.9990(1)、2量子ビットゲートのfideliyは 0.980(1) を達成しており、20 μs の高速な基底状態イメージングにより中間回路でのリークエラーを検出している。これにより、単一量子ビットゲートの 56%、2量子ビットゲートの 33% のエラーが検出可能な消去エラーに変換され、残りの量子ビットへのエラー確率は <10⁻⁵ に抑えられている。

ABSTRACT

The development of scalable, high-fidelity qubits is a key challenge in quantum information science. Neutral atom qubits have progressed rapidly in recent years, demonstrating programmable processors and quantum simulators with scaling to hundreds of atoms. Exploring new atomic species, such as alkaline earth atoms, or combining multiple species can provide new paths to improving coherence, control and scalability. For example, for eventual application in quantum error correction, it is advantageous to realize qubits with structured error models, such as biased Pauli errors or conversion of errors into detectable erasures. In this work, we demonstrate a new neutral atom qubit, using the nuclear spin of a long-lived metastable state in ${}^{171}$Yb. The long coherence time and fast excitation to the Rydberg state allow one- and two-qubit gates with fidelities of 0.9990(1) and 0.980(1), respectively. Importantly, a significant fraction of all gate errors result in decays out of the qubit subspace, to the ground state. By performing fast, mid-circuit detection of these errors, we convert them into erasure errors; during detection, the induced error probability on qubits remaining in the computational space is less than $10^{-5}$. This work establishes metastable ${}^{171}$Yb as a promising platform for realizing fault-tolerant quantum computing.

研究の動機と目的

• 故障耐性量子計算に適した高精度でスケーラブルな中性原子量子ビットプラットフォームの開発。
• 171Yb の準安定状態 6s6p ³P₀ を用いて長時間のコherencyと高速なRydberg励起を実現する。
• Rydberg自己イオン化による準安定量子ビットのデプーミング後に基底状態の原子をイメージングすることで、中間回路でのリークエラー検出を実装し、それを消去エラーに変換する。
• 検出中に未損傷の量子ビットの量子状態の整合性を保つために、残余エラーを最小限に抑える。
• ゲートエラーの顕著な割合を検出可能な消去エラーに変換できることを示し、故障耐性量子エラー訂正のリソースコストを低減できることを実証する。

提案手法

• 長寿命のコherencyを実現するため、171Yb の 6s6p ³P₀ 準安定状態の核スピンを量子ビット自由度として用いる。
• 単一量子ビット回転には、核スピンラーモア周波数（5.70 kHz）に合わせたRF磁場を用いる。
• Rydbergブロッキングを介して2量子ビットエンタングルゲートを実装するため、高速で単一光子励起によるRydberg状態への励起を実施する。
• Rydberg自己イオン化により準安定量子ビットをデプーミングした後、基底状態の原子をイメージングすることで中間回路での検出を実装する。
• ゲートのfideliyを最適化し、実験的チューニングを可能にするために、チェビシェフ多項式に基づくパラメータ化されたパルス形状を用いる。
• マコフ的および非マコフ的ノイズ源をシミュレートするため、マスター方程式とモンテカルロ法を組み合わせた数値的エラーモデルを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準安定 171Yb 量子ビットは、長寿命のコherencyを実現しつつ、高精度な単一および2量子ビットゲートを達成できるか？
• RQ2 計算サブスペースからリークする原因となるゲートエラーを、高速イメージングを用いて中間回路で検出できるか、その範囲はどの程度か？
• RQ3 中間回路での検出中に、計算空間に留まる量子ビットに誘発される残余エラー率はどの程度か？ 10⁻⁵ 未満に抑えることができるか？
• RQ4 合計ゲートエラーのどの程度が検出可能な消去エラーに変換可能か？ これにより、故障耐性量子エラー訂正のリソースコストが低減できるか？
• RQ5 2量子ビットゲートにおける主要なエラー要因は何か？ さらにレーザー制御を改善することで抑制可能か？

主な発見

• 単一量子ビットゲートのfideliyは 0.9990(1) に達し、コherency時間は数秒を超える。
• 2量子ビットゲートのfideliyは 0.980(1) に測定され、高速で単一光子励起と新規なゲート設計のおかげで実現された。
• 中間回路でのリークエラー検出は 20 μs で達成され、単一量子ビットゲートの 56%、2量子ビットゲートの 33% のエラーが検出可能な消去エラーに変換された。
• 検出中に計算空間に留まる量子ビットにエラーを誘発する確率は 10⁻⁵ 未満である。
• 数値的モデリングにより、Rydberg崩壊（4×10⁻³）、ドーピラーシフト（5×10⁻³）、レーザー位相ノイズ（2×10⁻³）、パルス形状の不完全性（2×10⁻³）が主なエラー要因であると特定された。
• モデルは60%のエラーがリークであると予測しており、Rydberg崩壊の検出効率が50%であることを考慮に入れると、観測された33%の消去割合と整合的である。