[논문 리뷰] Blueprint for a microwave ion trap quantum computer

B. Lekitsch, Sebastian Weidt외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 03.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 3인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 마이크로재료 기반 기술을 사용하여 확장 가능하고 모듈형인 마이크로파 이온 트랩 양자컴퓨터 아키텍처를 제안하며, 장파장 복사와 전역 레이저/마이크로파 필드를 통해 고장내성 양자 계산을 가능하게 한다. 이 설계는 모듈 간 이온 이동을 지원하여 임의로 큰 시스템을 만들 수 있으며, 오류 수정을 위한 고임계 표면 코드와의 통합도 가능하다.

ABSTRACT

and industrial community is working towards the realization of such a device. A large scale quantum computer is best constructed using a modular approach. We present the blueprint for an ion trap based scalable quantum computer module which makes it possible to create an arbitrarily large quantum computer architecture powered by long-wavelength radiation. This quantum computer module controls all operations as a stand-alone unit, is constructed using silicon microfabrication techniques and within reach of current technology. To perform the required quantum computations, the module makes use of long-wavelength-radiation quantum gate technology and relies only on a vacuum environment and global laser and microwave elds. To scale this microwave quantum computer architecture beyond one module we also present a new approach that makes use of ion transport between dierent modules, thereby allowing connections between arbitrarily many modules for a large scale architecture. A high-error-threshold surface error correction code making use of such module interactions can be implemented in the proposed architecture to execute fault-tolerant quantum logic operations. With only minor adjustments these modules are also suitable for alternative ion trap quantum computer architectures, such as schemes using photonic interconnects.

연구 동기 및 목표

• 현재의 소규모 구현에 한계가 있는 점을 극복하기 위해, 이온 트랩 기반의 확장 가능하고 모듈형인 양자컴퓨터 아키텍처를 개발한다.
• 모듈 간 상호작용을 통해 고임계 표면 코드를 활용해 고장내성 양자 계산을 실현한다.
• 기존 실리콘 마이크로재료 기반 제조 기술과 진공 환경에 적합한 자가진단형 양자컴퓨터 모듈을 설계한다.
• 다양한 모듈을 이온 이동을 통해 연결하는 확장 가능한 모듈 간 아키텍처를 제안하여 대규모 양자 계산을 실현한다.

제안 방법

• 통합성과 확장성을 확보하기 위해 실리콘 마이크로재료 기반 제조 기술을 활용해 독립형 양자컴퓨터 모듈을 설계한다.
• 이온을 제어하기 위해 장파장 복사(마이크로파)와 전역 레이저 및 마이크로파 필드를 사용하여 양자 게이트를 구현한다.
• 분리된 모듈 간에 제어된 이온 이동을 통해 모듈 간 연결성을 확보하여 단일 단위를 초월한 아키텍처의 확장을 실현한다.
• 모듈 간 상호작용을 활용해 고임계 표면 오류 수정 코드를 통합하여 고장내성 양자 논리 연산을 실현한다.
• 소규모 설계 조정을 통해 광학적 인터커넥트를 사용하는 다른 아키텍처와의 호환성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 제조 기술을 기반으로 확장 가능하고 모듈형인 이온 트랩 양자컴퓨터를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 장파장 복사가 갇힌 이온 시스템에서 신뢰성 있고 확장 가능한 양자 게이트 연산을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 표면 코드를 사용한 모듈형 이온 트랩 아키텍처에서 고장내성 양자 계산은 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ4 이온 이동을 통한 대규모 양자계산을 위한 확장 가능한 모듈 간 연결성은 어떤 메커니즘으로 작동하는가?
• RQ5 제안된 모듈 설계는 광학적 인터커넥트를 사용하는 다른 아키텍처에 얼마나 적응 가능한가?

주요 결과

• 제안된 모듈은 완전히 자가진단형이며, 기존 실리콘 마이크로재료 기반 제조 기술과 호환되어 근거리 기술적 실현 가능성이 높다.
• 전역 마이크로파 및 레이저 필드를 사용하여 양자 연산을 수행함으로써 복잡한 빔 형상 조절이 필요 없어지며, 확장성이 향상된다.
• 모듈 간 이온 이동을 통해 임의의 연결성을 가진 대규모 양자컴퓨터 아키텍처를 구축할 수 있다.
• 고임계 표면 코드를 지원함으로써 모듈 간 상호작용을 통해 고장내성 양자 논리 연산이 가능해진다.
• 소규모 수정만으로도 광학적 인터커넥트를 사용하는 다른 아키텍처에 적응 가능하여 유연성이 높다.