[論文レビュー] Laser-driven quantum logic gates with precision beyond the fault-tolerant threshold

C. J. Ballance, T. P. Harty+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、室温のイオントラップを用い、カルシウム-43イオンのハイパーファイン状態を用いて、レーザー駆動の量子ロジックゲートを実現した。単一キュービットゲートの忠実度は99.9934(3)%に達し、2キュービットゲートの忠実度は99.9(1)%に達し、どちらも誤り耐性の閾値を上回った。長寿命のハイパーファインキュービットと室温のイオントラップを用いて、ゲート速度の最適化と主要な誤差要因の同定により、高精度な操作を達成した。本研究は、トラップされたイオン系がスケーラブルな量子コンピューティングに必要な精度要件を満たせることを示した。

ABSTRACT

A quantum computer could solve problems intractable on any conventional machine, but the physical resources necessary to build one depend strongly on the precision with which its constituent qubits can be manipulated. We demonstrate laser-driven two-qubit and single-qubit logic gates with fidelities 99.9(1)% and 99.9934(3)% respectively, using qubits stored in long-lived hyperfine states of calcium-43 ions held in a room-temperature device. Calcium-43 ions have exhibited the longest coherence time ($T_2^*\approx 50$sec) and the highest state preparation and measurement fidelity of any single physical qubits. We study the speed/fidelity trade-off for the two-qubit gate, for gate times between 3.8$\mu$s and 520$\mu$s, and develop a theoretical model allowing us to identify the principal technical sources of error. We conclude that trapped-ion quantum logic is possible with the precision necessary for a practical quantum computer.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子計算に不可欠な誤り耐性の閾値を超える量子ゲート忠実度を達成すること。
• カルシウム-43イオンの長寿命ハイパーファイン状態に保持されたキュービットを用いて、高精度な単一および2キュービット量子ロジックゲートを実証すること。
• 3.8 μs から 520 μs のゲート時間の範囲で、2キュービットゲートにおける速度と忠実度のトレードオフを調査すること。
• トラップされたイオン量子プロセッサにおけるゲート忠実度を制限する主な技術的誤差要因を同定し、モデル化すること。

提案手法

• 室温のイオントラップに閉じ込められたカルシウム-43イオンを用い、共鳴レーザーパルスを用いてハイパーファインキュービット状態を操作することで、レーザー駆動の量子ゲートを実装した。
• 単一キュービットゲートはハイパーファイン準位間のラーマン遷移により、2キュービットゲートはイオンの運動モードを介した制御Z型相互作用により実装した。
• 状態準備と測定のトモグラフィーを用いてゲート忠実度を測定し、不確実性を報告することで精度を定量した。
• 理論的モデルを構築し、速度と忠実度のトレードオフを分析。デコherence、レーザー強度ノイズ、レーザー周波数ノイズが主な誤差要因であると特定した。
• ハイパーファインキュービットのコherenct時間（T₂* ≈ 50秒）を活用し、ゲート操作中のデコherenceを最小限に抑えた。
• ゲート時間（3.8 μs から 520 μs）を系統的に変化させ、ゲート速度と忠実度の関係を特徴付け、最適な動作窓を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トラップされたカルシウム-43イオンにおけるレーザー駆動の2キュービットおよび単一キュービットゲートは、量子誤り訂正に必要な誤り耐性の閾値を超える忠実度を達成できるか？
• RQ2 2キュービット操作における速度と忠実度のトレードオフは何か？ 3.8 μs から 520 μs のゲート時間の範囲でどのように変化するか？
• RQ3 レーザーノイズ、デコherence、制御の不完全さといった技術的要因の中で、高忠実度のトラップされたイオンゲートを制限する主な誤差要因は何か？
• RQ4 カルシウム-43イオンのコherenct時間と状態準備忠実度を活用することで、室温環境下で記録的忠実度のゲートを達成できるか？
• RQ5 同定された誤差要因に基づいて、トラップされたイオン量子ゲートの忠実度限界をモデル化し、予測可能か？

主な発見

• 単一キュービットゲートの忠実度は99.9934(3)%に達し、量子誤り訂正に必要な誤り耐性の閾値を上回った。
• 2キュービットゲートの忠実度は99.9(1)%に達し、これも誤り耐性の閾値を上回った。
• カルシウム-43イオンのコherenct時間は約50秒であり、任意の物理キュービットで報告された最長記録である。
• 本研究では、レーザー強度ノイズと周波数ノイズがゲート操作における主な技術的誤差要因であると特定した。
• 理論的モデルは、3.8 μs から 520 μs のゲート時間範囲における観測された速度/忠実度トレードオフをうまく説明できた。
• 結果として、トラップされたイオン量子ロジックは、実用的でスケーラブルな量子コンピュータに必要な精度を達成できることを確認した。