[論文レビュー] High-fidelity parallel entangling gates on a neutral atom quantum computer

Simon J. Evered, Dolev Bluvstein+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 88被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、Rydberg blockadeと最適制御の単一パルスゲートを用いて、最大60個の中性原子キュービットで並列に実行されたCZゲートの忠実度99.5%を実証し、さらに高忠実度の三量子ビットCCZゲートを実現しています。

ABSTRACT

The ability to perform entangling quantum operations with low error rates in a scalable fashion is a central element of useful quantum information processing. Neutral atom arrays have recently emerged as a promising quantum computing platform, featuring coherent control over hundreds of qubits and any-to-any gate connectivity in a flexible, dynamically reconfigurable architecture. The major outstanding challenge has been to reduce errors in entangling operations mediated through Rydberg interactions. Here we report the realization of two-qubit entangling gates with 99.5% fidelity on up to 60 atoms in parallel, surpassing the surface code threshold for error correction. Our method employs fast single-pulse gates based on optimal control, atomic dark states to reduce scattering, and improvements to Rydberg excitation and atom cooling. We benchmark fidelity using several methods based on repeated gate applications, characterize the physical error sources, and outline future improvements. Finally, we generalize our method to design entangling gates involving a higher number of qubits, which we demonstrate by realizing low-error three-qubit gates. By enabling high-fidelity operation in a scalable, highly connected system, these advances lay the groundwork for large-scale implementation of quantum algorithms, error-corrected circuits, and digital simulations.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子計算と誤り訂正の前提条件として高忠実度のエンタングリング操作を中性原子プラットフォームで動機付ける。
• 故障耐性閾値を超える忠実度を持つ並列・スケーラブルな二量子ビットエンタングリングゲートを実現する。
• Rydberg介在ゲートの主要な誤り源を調査・緩和し、より大規模な量子プロセッサの実現を可能にする。
• より高次の量子ビットエンタングリング操作（例：CCZ）へアプローチを一般化し、性能を評価する。

提案手法

• 最適に制御された位相プロファイルを持つRydbergブロックadeベースの単一パルスCZゲートのファミリを使用する。
• 原子のダーク状態とブライト状態を用いて、中間状態の散乱を抑えつつ大きな二光子Rabi周波数を維持する。
• ラムダ増強グレイモラス冷却と改良された光学ポンピングを実装して、運動と位相雑音の誤差を低減する。
• グローバルパルスパラメータでゲートを較正し、欠陥のない大規模なキュービット配列全体での堅牢な運用を実現する。
• ベル状態トポロジー、奇数回ゲート列、グローバルランダムベンチマークによってゲート性能をベンチマークする。
• CCZのための時間最適な位相プロファイルを設計し、三量子ビット以上のゲートへ拡張して検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性原子アレーにおける実用的な条件下での並列二量子ビットエンタングリングゲートの忠実度はどの程度達成できるか？
• RQ2 系サイズが大きくなるにつれてRydberg介在ゲートの支配的な物理的誤差源は何か、それをどう緩和できるか？
• RQ3 同じ手法で並列に高忠実度のマルチ量子ビット（3量子ビット以上）ゲートを実現できるか？
• RQ4 大規模配列全体でのゲート性能の均一性はどの程度で、60個以上のキュービット数の増加時にスケーリングはどのようになるか？
• RQ5 スケーラブルな量子回路に対して、異なるゲートパルス実装は忠実度と実用性の点でどう比較されるか？

主な発見

• 二量子CZゲートを、並列で最大60個の中性原子キュービットを対象に実装し、忠実度は99.5%を達成。
• SPAM補正後の単一CZゲートに対して、ボローニャ状態の生データ忠実度は98.0(2)%、補正後は ~99.4%(図示なし)。
• グローバルランダムベンチマークの結果、パラメータ化された時間最適ゲートと平滑振幅ゲートでCZゲート忠実度はそれぞれ99.54(2)%と99.55(3)%。
• 60量子ビットの並列実装では、CZゲート忠実度は99.48(2)%で、アレイ全体で均一性が良好。
• この手法は三量子ビットCCZゲートへ一般化可能で、GHZ型テストで21量子ビットの並列実装で約97.9(2)%の忠実度を達成し、分解されたマルチ量子ビットゲート実装より高速化を実現。
• dominant errorsとしてRydberg崩壊、隣接Rydberg mJレベルへの結合、間接状態散乱、地上- Rydbergデフェーシング（T2* ≈ 3 μs）を特定した。