[논문 리뷰] Closed-loop optimization of fast trapped-ion shuttling with sub-quanta excitation

Jonathan David Sterk, Henry Coakley외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 18.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 46인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 분할된 폴 트랩에서 빠르고 낮은 자극으로 포획된 이온을 이동시키기 위한 전압 웨이브폼의 피드백 기반 최적화를 제안한다. 사이드밴드 분광법과 넬더-미드 최적화기를 사용하여 실험적 피드백에 기반해 웨이브폼을 반복적으로 개선함으로써, 3전극 이동 시 0.5 전극/µs(35 m/s) 속도에서 운동적 자극이 0.36 ± 0.08 퀀텀에 도달하며, 축 방향 운동 위상과 무관하게 1 퀀텀 이하의 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Shuttling ions at high speed and with low motional excitation is essential for realizing fast and high-fidelity algorithms in many trapped-ion based quantum computing architectures. Achieving such performance is challenging due to the sensitivity of an ion to electric fields and the unknown and imperfect environmental and control variables that create them. Here we implement a closed-loop optimization of the voltage waveforms that control the trajectory and axial frequency of an ion during transport in order to minimize the final motional excitation. The resulting waveforms realize fast round-trip transport of a trapped ion across multiple electrodes at speeds of $0.5$ electrodes/$\mu$s ($35 ext{m/s}$) with a maximum of $0.36\pm0.08$ quanta gain. This sub-quanta gain is independent of the phase of the secular motion at the distal location, obviating the need for an electric field impulse or time delay to eliminate the coherent motion

연구 동기 및 목표

• 빠른 이온 이동 중에 운동적 자극을 최소화하기 위해 포획된 이온 양자계산 아키텍처에서의 최적화를 수행한다.
• 정확한 이론적 모델에 의존하지 않고 제작 편차, 배경 전기장, 웨이브폼 왜곡과 같은 실험적 결함을 보완한다.
• 모델에 종속되지 않은 실험 기반 최적화 프레임워크를 개발하여 고정밀도 이온 이동을 실현한다.
• 확장 가능한 양자 알고리즘에 필요한 속도를 확보하면서도 양자 얽힘을 유지한다.
• 공명 운동을 보정하기 위한 위상 고정 전기장 펄스나 시간 지연이 필요 없도록 한다.

제안 방법

• 실험적 피드백을 사용하여 이온 이동을 위한 전압 웨이브폼을 개선하는 피드백 기반 최적화 프레임워크를 사용한다.
• 손실 함수는 |0⟩↔|1⟩ 전이의 통합 레드 사이드밴드 스펙트럼에서 유도되며, 평균 운동적 퀀텀의 대체 지표로 기능한다.
• 넬더-미드 비도함수 최적화 알고리즘은 도착지에서의 여러 보존 시간 오프셋에 걸쳐 손실의 최대값을 최소화함으로써 웨이브폼을 최적화한다.
• 210 µm 경로를 따라 사전 계산된 211개의 전압 솔루션에서 실시간으로 웨이브폼을 합성하며, 각각 고정된 2.5 MHz 축 방향 주파수를 유지한다.
• 원격 지점에서 다양한 보존 시간을 가진 사이드밴드 탐지로 위상에 따라 변하는 자극을 드러내어 전체 위상 주기 동안 최적화가 가능해진다.
• 이중 단계 최적화를 적용한다: 과포화를 방지하기 위해 초기 단계에서 짧은 탐지 시간을 사용하고, 수렴한 초기 상태에서부터 장시간 탐지를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정확한 물리적 모델에 의존하지 않고 실험적 피드백을 사용하여 이온 이동 웨이브폼을 최적화할 수 있는가?
• RQ2 실험적 결함이 존재하는 상황에서 빠른 이온 이동 중에 도달할 수 있는 최소 운동적 자극은 얼마인가?
• RQ3 도착지에서 축 방향 운동의 위상과 무관하게 1 퀀텀 이하의 자극을 달성할 수 있는가?
• RQ4 알 수 없는 시스템 이격이 존재하는 실제 조건에서 피드백 기반 최적화는 이론적으로 유도된 프로토콜과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 방법은 포획된 이온 및 중성 원자 시스템의 다른 양자 제어 프로토콜에 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 웨이브폼은 3전극 이동 시 0.5 전극/µs(35 m/s) 속도에서 최대 운동적 자극이 0.36 ± 0.08 퀀텀에 도달하였다.
• 1 퀀텀 이하의 자극은 도착지에서 축 방향 운동의 위상과 무관하게 달성되었으며, 이는 위상 보정 펄스나 시간 지연이 필요 없음을 의미한다.
• 최적화는 150회 함수 평가 후 수렴하였으며, 손실 함수는 향후 향상에 민감하지 않았다.
• 이 방법은 제작 편차, 배경 전기장, 웨이브폼 필터링 효과와 같은 실험적 결함을 성공적으로 보완하였다.
• 사이드밴드 통합 손실을 운동적 자극의 대체 지표로 사용함으로써 최적화 과정에서 빠르고 신뢰성 있고 정량적인 피드백이 가능했다.
• 이 방법은 일반화 가능하며, 포획된 이온, 중성 원자, 원자 간섭계 플랫폼에서 다른 양자 제어 프로토콜을 조정하는 데 적용될 수 있다.