[論文レビュー] Recent Results in Trapped-Ion Quantum Computing

D. Kielpinski, A. Ben-Kish+7 more|ArXiv.org|Feb 16, 2001

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、捕獲した⁹Be⁺イオンを用いて、4イオンのエンタングルメント、局所実在性の破れを示すベルの不等式のロジックの抜けのない違反、およびデcohエレント・フリー部分空間（DFS）への可逆的符号化を実証した。決定論的なMølmer-Sørensenエンタングルゲートと高効率検出を用いて、著者らはベルの不等式に対して8σの違反を達成し、DFS符号化により量子ビットのコherー二ンスを3.6倍に延長した。これは、集合的位相ずれノイズに対して耐性があることを証明した。

ABSTRACT

We review recent experiments on entanglement, Bell's inequality, and decoherence-free subspaces in a quantum register of trapped \be ions. We have demonstrated entanglement of up to four ions using the technique of Mølmer and Sørensen. This method produces the state |down down> + |up up> for two ions and the state |down down down down> + |up up up up> for four ions. We generate the entanglement deterministically in each shot of the experiment. Measurements on the two-ion entangled state violates Bell's inequality at the $8σ$ level. Because of the high detector efficiency of our apparatus, this experiment closes the detector loophole for Bell's inequality measurements for the first time. This measurement is also the first violation of Bell's inequality by massive particles that does not implicitly assume results from quantum mechanics. Finally, we have demonstrated reversible encoding of an arbitrary qubit, originally contained in one ion, into a decoherence-free subspace (DFS) of two ions. The DFS-encoded qubit resists applied collective dephasing noise and retains coherence under ambient conditions 3.6 times longer than does an unencoded qubit. The encoding method, which uses single-ion gates and the two-ion entangling gate, demonstrates all the elements required for two-qubit universal quantum logic.

研究の動機と目的

• 捕獲イオンレジスタにおいて、決定論的な4量子ビットエンタングルメントの生成を実証すること。
• 検出の抜けを閉じるために、多数の粒子系においてロジックの抜けのないベルの不等式テストを実施すること。
• 集合的位相ずれに対して耐性を持つデコherenceフリー部分空間（DFS）への量子ビットの可逆的符号化を実装・検証すること。
• 環境中の磁場ノイズと設計された位相ずれに対して、DFS符号化された量子ビットの安定性を検証すること。
• 『量子CCD』アーキテクチャを用いた大規模な捕獲イオン量子コンピューティングのスケーラブルなロードマップを確立すること。

提案手法

• 4つの⁹Be⁺イオンのエンタングルメントは、二色のラマンレーザーを用いてスピンと重心運動を結合するMølmer-Sørensen機構により生成された。
• 1量子ビットの回転は、位相および振幅を調整したラマンビームを用いて実装され、RF合成器とトラップ周波数の変調によりイオンの位相を個別に制御した。
• ベルの不等式のテストには、2イオンのエンタングル状態（|↑↑⟩ + |↓↓⟩）/√2を用い、1イオンあたり98%以上の高効率検出により検出の抜けを閉じた。
• デコherenceフリー符号化は、1イオンと2イオンのエンタングルゲートを用いて単一の量子ビットを2イオンのDFSにマッピングすることで達成され、集合的位相ずれに対して保護された。
• コヒーレンスの減衰は、スターリングシフトを用いた設計されたノイズと、60 Hzの磁場揺らぎを伴う環境条件下で測定され、指数関数的減衰のフィットによりデコherence率を抽出した。
• 量子CCDアーキテクチャが提案され、補助イオンを用いた共役冷却を伴い、イオンをストレージ領域と論理領域の間で移送可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mølmer-Sørensenゲートを用いて、捕獲イオンレジスタで決定論的な4量子ビットエンタングルメントを生成できるか？
• RQ2 量子力学を仮定せずに、巨大粒子系でベルの不等式の違反を観測でき、検出の抜けを閉じられるか？
• RQ3 1量子ビットを、単一および2イオンの量子ゲートのみを用いて、デコherenceフリー部分空間に可逆的に符号化できるか？
• RQ4 環境中の磁場揺らぎと設計された位相ずれの下で、DFS符号化が量子ビットのコヒーレンスに与える影響は何か？
• RQ5 モジュール型でイオンを移送可能なアーキテクチャを用いた捕獲イオン量子コンピューティングのスケーラビリティはどの程度か？

主な発見

• Mølmer-Sørensenゲートを用いて1回の実験スナップショットで4イオンのエンタングルメントが成功裏に生成され、状態は（|↓↓↓↓⟩ + |↑↑↑↑⟩）/√2となった。
• 2イオンのベルの不等式テストでは、検出効率（1イオンあたり98%以上）のおかげで、検出の抜けを閉じ、8σの違反を達成した。
• このベルテストは、量子力学を仮定せず、巨大粒子系でベルの不等式を初めて違反した。これは局所実在性の基礎的検証となった。
• 2イオンのDFSに量子ビットを符号化することで、環境条件下でコヒーレンス時間を3.6倍に延長した。測定された減衰率は、符号化なし状態の7.9(1.5)×10⁻³ μs⁻¹に対し、符号化状態では2.2(0.3)×10⁻³ μs⁻¹であった。
• 設計された位相ずれの下では、DFS符号化状態はほとんど減衰せず（0.0035(50) μs⁻¹）、ゼロと一致した。一方、符号化なし状態は0.18(1) μs⁻¹で減衰した。
• 結果から、環境中の磁場揺らぎによる集合的位相ずれが、符号化なし量子ビットの主なデコherence要因であることが確認され、DFS符号化がこれを効果的に緩和することが示された。