[論文レビュー] Native qudit entanglement in a trapped ion quantum processor

Pavel Hrmo, Benjamin Wilhelm+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、一般化された光シフトゲート機構を用いて、捕獲イオン量子プロセッサでネイティブな2キューディットエンタングルメントゲートを実装し、1回のゲート適用で最大エンタングルメントを $ d = 5 $ のキューディット次元まで達成した。ゲートのキャリブレーションオーバーヘッドはキューディット次元に依存しないため、実験的複雑性が低減され、スケーラブルなキューディット量子計算と高精度なエンタングルメント生成が可能である。

ABSTRACT

Quantum information carriers, just like most physical systems, naturally occupy high-dimensional Hilbert spaces. Instead of restricting them to a two-level subspace, these high-dimensional (qudit) quantum systems are emerging as a powerful resource for the next generation of quantum processors. Yet harnessing the potential of these systems requires efficient ways of generating the desired interaction between them. Here, we experimentally demonstrate an implementation of a native two-qudit entangling gate in a trapped-ion qudit system up to dimension $5$. This is achieved by generalizing a recently proposed light-shift gate mechanism to generate genuine qudit entanglement in a single application of the gate. The gate seamlessly adapts to the local dimension of the system with a calibration overhead that is independent of the dimension.

研究の動機と目的

• 1回のゲート適用で真のキューディットエンタングルメントを生成するネイティブな2キューディットエンタングルメントゲートを開発すること。
• キューディット次元に依存しないキャリブレーションを実現することで、高次元キューディット系におけるキャリブレーションオーバーヘッドを低減すること。
• 捕獲イオンの全ヒルベルト空間を活用することで、スケーラブルで高精度なキューディット量子情報処理を可能にすること。
• 高次元キューディット系におけるゲート精度を制限するノイズ要因を同定・緩和すること。
• キューディットエンタングルメントがキュービットエンタングルメント測定値を上回ることを確認し、真の高次元エンタングルメントであることを裏付けること。

提案手法

• $ ^4\text{S}_{1/2} \leftrightarrow \, ^4\text{D}_{5/2} $ 遷移における $ ^{40}\text{Ca}^+ $ イオンの差動光シフトを介した状態依存の光学的ダイポール力を利用したゲート。
• 遠い共鳴外のレーザーを用いて、1回の対称的光シフトゲートを適用し、内部キューディット状態に依存する幾何位相シフトを誘発する。
• ゲート機構をすべてのキューディット準位に同時に適用可能に一般化し、対称性を保持するとともに、次元に依存しないキャリブレーションを可能にする。
• 各 $ \ket{S} \leftrightarrow \ket{D} $ 遷移ペアに対して局所的操作を適用し、レーザー強度を解析的にスケーリングしてゲートの対称性を維持する。
• 運動的デコherenceと技術的ノイズを含む独立して測定された誤差パラメータを用いた数値誤差モデルを用いてノイズ要因を同定する。
• スミット数、concurrence、エンタングルメントの生成度を用いてエンタングルメントを検証し、理想の最大エンタングル状態との比較を通じて、精度とエンタングルメント指標を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1回のネイティブなキューディットゲートで、繰り返しキュービットエンタングルメント操作を実施せずに、すべてのキューディット準位に最大エンタングルメントを生成できるか？
• RQ2 ゲートキャリブレーションのオーバーヘッドはキューディット次元に比例して増加するのか、それとも次元に依存しないようにできるか？
• RQ3 高次元キューディット系におけるゲート精度を制限する主なノイズ要因は何か？
• RQ4 生成された状態のconcurrenceとスミット数は、いかなるキュービットエンタングル状態の最大値を上回るか？
• RQ5 $ d=4 $ を超える次元において、ゲートを一般化して最適なエンタングルメントを得られるように調整できるか？

主な発見

• キューディット次元 $ d = 2, 3, 4, 5 $ において、最大のスミット数エンタングルメントが達成され、真のキューディットエンタングルメントが確認された。
• $ d = 2, 3, 4 $ において、測定されたconcurrenceはいかなるキュービットエンタングル状態でも達成可能な最大値を上回り、高次元エンタングルメントの証明となった。
• $ d = 2 $ ではゲート精度が運動的コherー1エンス時間によって制限されるが、$ d = 4, 5 $ では局所的操作のデコherenceを引き起こす遅い周波数ノイズが主な制限要因となった。
• 実験データは、独立して測定された誤差源を用いた数値誤差モデルとよく一致しており、ノイズ同定の妥当性が裏付けられた。
• キャリブレーションオーバーヘッドはキューディット次元に依存せず、追加の各準位ごとに1つの追加局所操作とレーザー強度調整のみが必要である。
• $ d = 4 $ および $ d = 5 $ において、concurrenceが $ d = 3 $ の最大値を超えないことから、高次元における最大エンタングルメントの生成が難しくなっていることが示された。