[論文レビュー] Quantum Gates on Individually-Addressed Atomic Qubits Subject to Noisy Transverse Motion

Marko Cetina, Laird Egan+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、個別にアドレス可能な捕獲イオン量子ゲートにおけるフィデリティ制限要因として、弱い横方向の束縛による軸方向運動ノイズを特定し、イオンの変位と電場ノイズを介してそのデ coherent 効果をモデル化し、補助イオンを共捕獲して冷却することで加熱を抑制する手法を提案する。著者らは実験的に、このノイズが鎖長に伴い増加することを示し、観測された加熱率と一致する理論モデルを検証することで、スケーラブルなイオントラップ量子コンピューティングシステムにおける改善されたゲートフィデリティを実現した。

ABSTRACT

Individual trapped atomic qubits represent one of the most promising technologies to scale quantum computers, owing to their negligible idle errors and the ability to implement a full set of reconfigurable gate operations via focused optical fields. However, the fidelity of quantum gate operations can be limited by weak confinement of the atoms transverse to the laser. We present measurements of this effect by performing individually-addressed entangling gates in chains of up to 25 trapped atomic ions that are weakly confined along the chain axis. We present a model that accurately describes the observed decoherence from the residual heating of the ions caused by noisy electric fields. We propose to suppress these effects through the use of ancilla ions interspersed in the chain to sympathetically cool the qubit ions throughout a quantum circuit.

研究の動機と目的

• 弱い軸方向束縛に起因するノイズを伴う横方向運動が、個別にアドレス可能な捕獲イオン量子ゲートに及ぼすデ coherent 効果を特定し、モデル化すること。
• 最大25イオンの鎖における残留イオン運動がゲートフィデリティに与える影響を定量すること。
• 共捕獲された補助イオンを用いた共役冷却による、電場ノイズに起因する加熱の抑制という解決策を提案すること。
• Rabi駆動のフラクチュエーションと減衰パラメータの時間発展を測定することで、モデルを実験的に検証すること。
• 運動に起因する誤りを低減させることで、大規模なイオン鎖におけるスケーラブルで高精度な量子計算を実現すること。

提案手法

• イオンの変位とモード参加係数を用いて、Rabi駆動の曲率と正規モードにおける平均二乗イオン変位を関数として、個別にアドレス可能なイオンの時間平均Rabi周波数をモデル化する。
• 電場ノイズが軸方向運動を駆動するデ coherent モデルを導出し、加熱率がイオンのRabi駆動曲率の二乗とモード参加係数に比例することを示す。
• レーザーパルス形状と集光ビームを用いて、長鎖における量子ビットを個別にアドレスし、ゲートフィデリティと減衰パラメータの時間発展を追跡する。
• 369-nmレーザー励起による光子散乱を用いて状態準備と測定（SPAM）誤差を測定し、実験的ノイズを補正する。
• クーロン力とトラップポテンシャルを含む連続的電荷分布モデルを用いてイオン鎖をシミュレートし、軸モード周波数とイオン数に伴うスケーリングを計算する。
• 量子回路全体にわたり、qubitイオンの共役冷却を可能にするために、複数のYb同位体を共捕獲することを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い軸方向束縛は、捕獲イオン系における個別アドレス可能量子ゲートのフィデリティにどのように影響するか？
• RQ2 長鎖におけるイオン変位、電場ノイズ、およびデ coherent の間の定量的関係は何か？
• RQ3 軸方向運動と不均一な電場ノイズに起因する加熱率は、鎖内のイオン数に伴いどのようにスケーリングするか？
• RQ4 イオン変位と電場ノイズパラメータの組み合わせを用いて、観測されたデ coherent を正確にモデル化できるか？
• RQ5 補助イオンを用いた共役冷却は、大規模な捕獲イオン量子プロセッサにおける残留加熱をどれほど抑制でき、ゲートフィデリティを向上させ得るか？

主な発見

• 15および25イオン鎖において、観測されたデ coherent レートはモデル予測より1.2～1.35倍も増加しており、鎖全体にわたる不均一な電場ノイズに起因する追加の加熱が示唆される。
• 45°のトラップ表面に対して測定された径方向加熱レート150(20)/sは、モデル予測の150/sと一致しており、理論フレームワークの妥当性が裏付けられる。
• 250イオンまでの鎖において、最低周波数の軸モード周波数はN^(-0.856)に比例し、調和トラップの予測値N^(-0.86)と整合的である。
• 状態準備と測定（SPAM）誤差は1量子ビットあたり0.17%～1.36%と定量され、ゲートフィデリティ推定値の補正に用いられた。
• モデルは、共捕獲されたYb同位体を用いた共役冷却が、大規模なイオントラップ量子コンピュータにおける加熱を抑制し、高精度な操作を維持可能であると予測している。
• 実験データは、軸方向運動ノイズが、特に長鎖において、顕著でスケーラブルな制限要因であることを確認している。