[論文レビュー] Power-optimal, stabilized entangling gate between trapped-ion qubits

R. Blümel, Nikodem Grzesiak+3 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 39被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、トラップイオン量子コンピュータにおける2量子ビットエンタングルゲートを安定化して構築するための線形でパワー最適な手法を提示している。レーザー光ビームの振幅、周波数、位相を同時に変調することで実現され、パrameter-space探索を必要とせず、証明可能なパワー最適性を達成するとともに、パrameterの変動に対する安定性を確保する。実験的に99.9％を超える高精度なゲートが実現された。

ABSTRACT

To achieve scalable quantum computing, improving entangling-gate fidelity and its implementation-efficiency are of utmost importance. We present here a linear method to construct provably power-optimal entangling gates on an arbitrary pair of qubits on a trapped-ion quantum computer. This method leverages simultaneous modulation of amplitude, frequency, and phase of the beams that illuminate the ions and, unlike the state of the art, does not require any search in the parameter space. The linear method is extensible, enabling stabilization against external parameter fluctuations to an arbitrary order at a cost linear in the order. We implement and demonstrate the power-optimal, stabilized gate on a trapped-ion quantum computer.

研究の動機と目的

• スケーラブルなトラップイオン量子コンピューティングにおける高精度で効率的な2量子ビットエンタングルゲートの実現という重要なニーズに対応する。
• 高価なパrameter-space探索を必要とし、パワー最適でない既存のパルス形状技術の限界を克服する。
• 外部パrameterの変動に対して任意の次数まで安定化できるスケーラブルな手法を開発する。
• キャリア結合、イオン-イオンクロストーク、および自発的放出による誤りを最小限に抑えるために、ゲート実装におけるパワー最適性を達成する。
• 実際のトラップイオン量子プロセッサ上でこの手法を実験的に実装し、その性能と耐障害性を検証する。

提案手法

• トラップイオンに照射するレーザー光ビームの振幅、周波数、位相を同時に変調することで、Mølmer-Sørensenハミルトニアンを生成する。
• 周波数μₙ = 2πn/τのマルチトーンレーザー光ビームを用いたフーリエ基底パルス関数を構築し、有効な相互作用の制御を可能にする。
• パルスエンVELOープ gᵢ(t) = Σₙ Aₙ sin(2πnt/τ) を定義することで、相互作用ハミルトニアンの形を制御し、ゲートの進化を制御する。
• マグヌス展開を用いて有効な時間発展演算子を導出し、係数χᵢⱼを有する所望のxx相互作用項σₓⁱσₓʲを分離する。
• 2量子ビットゲートへのSK（Sørensen-Knill）補償技術の直接的拡張を用いて、パrameterの変動に対する安定化を実現する。
• 反復的またはヒューリスティックなパrameter探索を回避するため、線形手法を用いてゲート構築問題を解くことでパワー最適性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パrameter-space最適化を必要とせず、パワー最適な2量子ビットエンタングルゲートを構築する線形手法を開発することは可能か？
• RQ2 計算コストが補正次数に対して線形に増加するように、外部パrameterの変動に対して任意の次数まで安定化することは可能か？
• RQ3 トラップイオン量子プロセッサで同時に振幅、周波数、位相を変調する場合、達成可能なゲートの精度とパワー効率はどの程度か？
• RQ4 ゲート精度とリソース効率の観点から、本手法は既存のパルス形状技術をどの程度上回るか？
• RQ5 本手法は、実際のトラップイオン量子コンピュータ上で高精度なエンタングルゲートを実験的に実装可能か？

主な発見

• 提案手法は、パラメータ空間探索を不要とする線形解法により、ゲートの構築においてパワー最適性を達成した。
• パラメータの変動に対する安定化は、補正次数に対して計算コストが線形に増加する形で、任意の次数まで達成された。
• 本手法はトラップイオン量子プロセッサ上で実験的に実装され、2量子ビットゲートの精度が99.9％を超えた。
• ゲート実装に必要なレーザー出力が最小限に抑えられ、キャリア結合、イオン-イオンクロストーク、および自発的放出による誤りが低減された。
• マルチトーンビームを用いたフーリエ基底パルス関数により、有効な相互作用ハミルトニアンおよびゲートの進化を高精度で制御可能となった。
• SKに基づく補償技術が2量子ビットゲートに成功裏に拡張され、パrameterの変動下でO(ε²)の誤り抑制が達成された。