[論文レビュー] Two-qubit controlled-PHASE Rydberg blockade gate protocol for neutral atoms via off-resonant modulated driving within a single pulse

Yuan Sun, Peng Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 65被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、Rydberg閉じ込め枠組み内での非共鳴的変調駆動を用いて、中性原子に対する高精度で1パルスの2キュービット制御-PHASEゲートを提案する。駆動パルスを形状化して正確な位相蓄積を誘発することで、個々のサイトアドレス指定や閉じ込めシフトの正確な知識を必要とせず、散乱放出やレーザーの揺らぎを含む現実的な誤差条件下でも理論的保証が99％を超える堅牢なゲート操作を達成する。

ABSTRACT

Neutral atom array serves as an ideal platform to study the quantum logic gates, where intense efforts have been devoted to improve the two-qubit gate fidelity. We report our recent findings in constructing a different type of two-qubit controlled-PHASE quantum gate protocol with neutral atoms enabled by Rydberg blockade, which aims at both robustness and high-fidelity. It relies upon modulated driving pulse with specially tailored smooth waveform to gain appropriate phase accumulations for quantum gates. The major features include finishing gate operation within a single pulse, not necessarily requiring individual site addressing, not sensitive to the exact value of blockade shift while suppressing population leakage error and rotation error. We anticipate its fidelity to be reasonably high under realistic considerations for errors such as atomic motion, laser power fluctuation, power imbalance, spontaneous emission and so on. Moreover, we hope that such type of protocol may inspire future improvements in quantum gate designs for other categories of qubit platforms and new applications in other areas of quantum optimal control.

研究の動機と目的

• レーザー出力の揺らぎや原子の運動といった実験的不確実要因に対して頑健な中性原子用2キュービット制御-PHASEゲートプロトコルの開発。
• Rydberg閉じ込めに基づく量子ゲートにおいて、個々のサイトアドレス指定やRydberg閉じ込めシフトの正確な知識を不要にする。
• 1つの連続パルス内で高精度なゲート操作を達成し、1 μs未満の高速ゲート時間を実現する。
• 従来のRydbergゲートプロトコルに内在する励起状態の励起状態漏れや回転誤差を低減する。
• スケーラブルな量子計算を実現するための、プロトコルの多キュービットゲートへの応用可能性と耐障害性の向上を検討する。

提案手法

• 2つの原子の基底状態- RYDBERG遷移を一括して制御するため、連続的に形状化された非共鳴駆動パルスを用いる。
• 滑らかで変調された波形にすることで、動的位相蓄積を正確に制御し、所望の制御-PHASE操作を達成する。
• Rydberg閉じ込めを介してキュービット間のもつれを媒介するが、Rydberg-Rydberg遷移のマイクロ波駆動は不要である。
• モンテカルロ波動関数（MCWF）法を用いて、散乱放出やその他のデコherence効果を理論的に解析する。
• レーザー出力の揺らぎや原子の運動を含む現実的条件下で、20万回のMCWF軌道をシミュレートして耐障害性を数値的に評価する。
• プロトコルは閉じ込めシフトの正確な値に依存しないため、実験的実装可能性が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のサイトアドレス指定を必要とせず、1つの形状化されたパルス内で2キュービット制御-PHASEゲートを実装可能か？
• RQ2 ゲートの保証度はRydberg散乱放出率にどのように依存するか？また、現実的な誤差要因を含んでも99％以上を維持可能か？
• RQ3 レーザー出力の揺らぎ、原子の運動、キュービットサイト間の出力不均衡に対して、どの程度の耐障害性を示すか？
• RQ4 Rydberg閉じ込めシフトの正確な知識がなくても、ゲートが高保証度を維持可能か？
• RQ5 中性原子プラットフォームにおいて、非共鳴的変調駆動を用いて1μs未満の高速ゲート時間を実現しつつ、高保証度を達成可能か？

主な発見

• 散乱放出、レーザー出力の揺らぎ、原子の運動を含む現実的条件下でも、理論的ゲート保証度が99％を超える。
• ゲート誤差はRydberg崩壊率に線形に比例しており、閉じ込めが強い場合、散乱放出が理論的保証度の主な制限要因であることが示された。
• これらの摂動が低レベルに保たれていれば、レーザー出力の揺らぎや原子の運動に対してもゲートは頑健である。
• 個々のサイトアドレス指定や閉じ込めシフトの正確な知識が不要であるため、実験的実装可能性が向上する。
• ゲートは1 μs未満で実装可能であり、スケーラブルな量子計算に適した高速動作を実現する。
• 20万回のMCWF軌道を用いた数値シミュレーションにより、考慮されたパrameter範囲内でゲート誤差とRydberg崩壊率の線形関係が確認された。