[論文レビュー] Realizing quantum gates with optically-addressable $^{171}$Yb$^{+}$ ion qudits

M. A. Aksenov, I. V. Zalivako+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、435.5 nmの電気四重極遷移のゼーマン準位に情報をエンコードした光学アドレス可能な $^{171}$Yb$^+$イオンを用いて、二つの四準位（d=4）量子プロセッサの概念実証を示している。ユニバーサルなゲートセットを実現しており、単一準位回転と二準位Mølmer–Sørensenゲートを含む。単一準位ゲートのゲート fidelity は83–89%、二準位ゲートは65%であり、レーザー位相ノイズが主な誤差要因であると特定された。

ABSTRACT

The use of multilevel information carriers, also known as qudits, is a promising path for exploring scalability of quantum computing devices. Here we present a proof-of-principle realization of a quantum processor register that uses optically-addressed $^{171}$Yb$^{+}$ ion qudits in a linear trap. The rich level structure of $^{171}$Yb$^{+}$ ions allows using the Zeeman sublevels of the quadrupole clock transition at 435.5 nm for efficient and robust qudit encoding. We demonstrate the realization of the universal set of gates consisting of single-qudit rotations and a two-qudit Molmer-Sorensen operation with a two-ququart system, which is formally equivalent to a universal gate-based four-qubit processor. Our results paves a way towards further studies of more efficient implementations of quantum algorithms with trapped-ion-based processors and, specifically, exploring properties of $^{171}$Yb$^{+}$ ion qudits.

研究の動機と目的

• 多レベルの $^{171}$Yb$^+$イオンを準位として用いたスケーラブルな量子プロセッサアーキテクチャの実証。
• 435.5 nmの電気四重極遷移におけるゼーマン準位の光学アドレスによるユニバーサルな量子ゲートセットの実装。
• トラップイオン準位系におけるゲートfidelityの評価と主な誤差要因の同定。
• 将来の高精度で大規模な準位ベース量子計算の基盤を確立すること。

提案手法

• 準位は、$^{171}$Yb$^+$の $^2S_{1/2}(F=0)$ および $^2D_{3/2}(F=2)$ 态様のゼーマン準位にエンコードされ、435.5 nmの電気四重極遷移を用いて光学アドレスされる。
• 単一準位回転は、特定のゼーマン準位遷移に合わせた共鳴レーザーパルスによって実装される。
• 二準位Mølmer–Sørensen型ゲートは、二つのイオン間のエンタングリング相互作用を誘発する二色レーザーパルスを用いて実現される。
• レーザー位相ノイズは、$|0\rangle \to |1\rangle$ 遷移におけるイオン分光測定により評価され、ノイズのパワー スペクトル密度（PSD）が抽出可能となった。
• 抽出されたレーザーノイズ PSD を組み込んだ数値シミュレーションを用いて、ゲートfidelityの低下をモデル化・検証した。
• ゲートfidelityは、状態トモグラフィーとパリティオシレーションプロトコルを用いて実験的に測定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学アドレス可能な $^{171}$Yb$^+$イオン準位を用いた線形トラップ内において、ユニバーサルな量子ゲートセットを実現できるか？
• RQ2 この準位ベースのトラップイオン系におけるゲートfidelityを制限する主な誤差要因は何か？
• RQ3 $^{171}$Yb$^+$の準位エンコードは、計算能力の面で4キュービットプロセッサをどの程度模倣できるか？
• RQ4 レーザー位相ノイズは、この系における二準位エンタングリングゲートの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 レーザー安定化技術およびイオン温度の技術的向上によって、観測されたfidelityは向上可能か？

主な発見

• 単一準位回転と二準位Mølmer–Sørensenゲートを含むユニバーサルなゲートセットが実現され、準位ベース量子処理の可能性が示された。
• 単一準位ゲートのfidelityは83%～89%の範囲にあり、高精度な単一準位操作が可能であることが示された。
• 二準位ゲートのfidelityは65%であり、主にレーザー位相ノイズに起因する。
• 抽出されたノイズ PSD を用いた数値シミュレーションと実験データの比較により、レーザー位相ノイズが主な誤差要因であると特定された。
• 抽出されたレーザーノイズ PSD をシミュレーションに組み込むと、65%のゲートfidelityが再現され、ノイズモデルの妥当性が裏付けられた。
• 今後のレーザー安定化技術およびイオン温度制御の向上により、類似したキュービットベースのシステムで報告された水準に近い高精度な準位操作が可能になると示唆された。