[논문 리뷰] A quantum information processor with trapped ions

Philipp Schindler, Daniel Nigg외 11명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2013. 08. 14.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 5인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 선형 팔름 트랩에 갇힌 40Ca+ 이온을 사용하여 소규모 트랩 이온 양자 정보 처리기를 구현하며, 초기화, 유니타리 게이트, 측정, 오류 보정 기법을 포함한 일련의 협동 및 비협동 작동을 실험적으로 구현함으로써 양자 푸리에 변환과 순서 찾기 알고리즘의 효율적 구현을 가능하게 한다. 주요 기여는 상태 토모그래피와 고전적 시뮬레이션을 통해 측정된 허용 오차를 바탕으로, 더 적은 큐비트 오버헤드로 확장 가능한 양자 알고리즘을 실험적으로 실현한 점이며, 순서 찾기 작동에 대해 평균 상태 허용 오차 80.7%를 달성하였다.

ABSTRACT

Quantum computers hold the promise to solve certain problems exponentially faster than their classical counterparts. Trapped atomic ions are among the physical systems in which building such a computing device seems viable. In this work we present a small-scale quantum information processor based on a string of $^{40}$Ca${^+}$ ions confined in a macroscopic linear Paul trap. We review our set of operations which includes non-coherent operations allowing us to realize arbitrary Markovian processes. In order to build a larger quantum information processor it is mandatory to reduce the error rate of the available operations which is only possible if the physics of the noise processes is well understood. We identify the dominant noise sources in our system and discuss their effects on different algorithms. Finally we demonstrate how our entire set of operations can be used to facilitate the implementation of algorithms by examples of the quantum Fourier transform and the quantum order finding algorithm.

연구 동기 및 목표

• 트랩된 40Ca+ 이온을 기반으로 하는 완전 기능성 소규모 양자 정보 처리기를 개발하여 보편적인 양자 작동을 구현하는 것.
• 트랩 이온 시스템에서 큐비트 메모리와 양자 작동에 영향을 미치는 주요 노이즈 원인을 규명하고 특성화하는 것.
• 최소한의 큐비트 레지스터를 사용하여 양자 푸리에 변환과 양자 순서 찾기 알고리즘을 구현하고 기준을 설정하는 것.
• 비협동 작동을 사용하여 임의의 마르코프 과정을 실현하고 오류 보정 및 알고리즘 효율성을 향상시킬 수 있는 가능성을 입증하는 것.
• 노이즈 원인 규명을 통해 오류율을 감소시켜 확장 가능하고 고장 내성 있는 양자 계산의 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 프로세서는 선형 팔름 트랩을 사용하여 40Ca+ 이온의 열을 갇히며, 협동 작동을 위해 4S1/2 및 3D5/2 상태에 큐비트를 인코딩하고, 양자 메모리의 경우 제이만 준수준을 사용한다.
• 양자 게이트는 레이저를 이용한 라만 전이와 마이크로파 필드를 사용하여 실현되며, 높은 정밀도로 단일 및 이중 큐비트 작동을 가능하게 한다.
• 상태 준비, 측정, 운동 모드의 능동적 재냉각과 같은 비협동 작동은 임의의 마르코프 과정을 가능하게 한다.
• 양자 상태 검출은 광학적 쉘빙과 발광 영상 기반으로 수행되며, 고대비의 단일 이온 상태 독출이 가능하다.
• 노이즈 원인은 초기화, 게이트 작동, 측정 동안의 비호환성 측정을 통해 분석되며, 오류율은 상태 토모그래피와 고전적 시뮬레이션을 통해 정량화된다.
• 순서 찾기 알고리즘은 제어된 순열 작동을 사용하여 실현되며, 큐비트 수와 게이트 수를 최소화하도록 순서가 최적화되고, 실험적 상태 확률 측정을 통해 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 트랩 이온 양자 처리기에서 비협동 과정을 포함한 보편적인 양자 작동 세트를 실현할 수 있는가?
• RQ2 대규모 선형 팔름 트랩에서 큐비트 메모리와 게이트 작동에 영향을 미치는 주요 노이즈 원인은 무엇인가?
• RQ3 다양한 노이즈 원인이 양자 푸리에 변환과 순서 찾기와 같은 양자 알고리즘의 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비협동 작동과 사후 선택을 사용함으로써 양자 푸리에 변환 레지스터에 필요한 큐비트 수를 줄일 수 있는가?
• RQ5 노이즈 특성 분석과 최적화된 작동 순서를 통해 실험적 오류율을 얼마나 효과적으로 보정하고 알고리즘의 정밀도를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 상태 토모그래피를 통해 측정한 결과, 순서 찾기 알고리즘은 네 가지 테스트된 순열 작동에 대해 평균 상태 허용 오차 80.7%를 달성하였으며, 이상적 결과와 시뮬레이션 결과와 비교되었다.
• 양자 푸리에 변환의 구현은 측정 후 피드포워드와 재냉각을 통해 전체 레지스터에 단일 큐비트만 필요로 하여 큐비트 오버헤드를 크게 감소시켰다.
• 라만 재냉각 시간이 800 μs로 최적화되어 잔여 운동 에너지와 위상 감쇠 사이의 균형을 이루었으며, 측정 이후에도 양자 얽힘 게이트의 안정적 작동을 가능하게 하였다.
• 주요 오류 원인은 작동 순서에 따라 달라졌으며, 초기화 및 측정 중의 비호환성과 협동 조작 중의 게이트 부정확도가 주요 제한 요소로 규명되었다.
• 광학 상태와 기저 상태 큐비트를 모두 사용함으로써 고정밀도의 상태 준비, 측정 및 장수명 양자 메모리가 가능해져 알고리즘의 강건성을 향상시켰다.
• TIQC-SPICE를 사용한 고전적 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 밀도 있게 일치하였으며, 이는 모델의 타당성을 검증하고 오류 분석 및 최적화를 가능하게 하였다.