[논문 리뷰] Demonstration of multi-qubit entanglement and algorithms on a programmable neutral atom quantum computer

Trent Graham, Yipu Song외 23명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 29.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 2D 배열에 있는 개별적으로 제어 가능한 큐비트를 사용하여 게이트 모델 중성 원자 양자 프로세서에서 일반적이고 프로그래머블한 양자 계산을 구현한다. 마이크로파와 레이저 제어를 조합하고 라이드버그 매개 양자 얽힘 게이트를 사용함으로써 저자들은 높은 정밀도의 다중 큐비트 얽힘(최대 6 큐비트)을 달성했으며, GHZ 상태 준비, 양자 위상 추정, MaxCut에 대한 QAOA를 포함한 양자 알고리즘을 성공적으로 구현하였다. SPAM 보정을 거친 벨 상태 정밀도는 95.5%에 도달했다.

ABSTRACT

Gate model quantum computers promise to solve currently intractable computational problems if they can be operated at scale with long coherence times and high fidelity logic. Neutral atom hyperfine qubits provide inherent scalability due to their identical characteristics, long coherence times, and ability to be trapped in dense multi-dimensional arrays\cite{Saffman2010}. Combined with the strong entangling interactions provided by Rydberg states\cite{Jaksch2000,Gaetan2009,Urban2009}, all the necessary characteristics for quantum computation are available. Here we demonstrate several quantum algorithms on a programmable gate model neutral atom quantum computer in an architecture based on individual addressing of single atoms with tightly focused optical beams scanned across a two-dimensional array of qubits. Preparation of entangled Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states\cite{Greenberger1989} with up to 6 qubits, quantum phase estimation for a chemistry problem\cite{Aspuru-Guzik2005}, and the Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA)\cite{Farhi2014} for the MaxCut graph problem are demonstrated. These results highlight the emergent capability of neutral atom qubit arrays for universal, programmable quantum computation, as well as preparation of non-classical states of use for quantum enhanced sensing.

연구 동기 및 목표

• 장수명 양자 얽힘 시간을 가진 게이트 모델 중성 원자 플랫폼을 사용하여 확장 가능하고 보편적인 양자 계산을 구현하는 것.
• 개별적으로 제어 가능한 중성 원자 2D 배열에서 고정밀 다중 큐비트 얽힘(GHZ 상태)을 달성하는 것.
• 프로그래머블 중성 원자 프로세서에서 양자 위상 추정 및 QAOA와 같은 양자 알고리즘을 구현하고 검증하는 것.
• 상태 준비 및 측정(SPAM) 오차를 특성화하고 보정하여 게이트 정밀도의 정확한 벤치마킹을 가능하게 하는 것.
• 트랩된 중성 원자와 라이드버그 상호작용을 사용하여 보편적이고 오류 수정이 가능한 양자 계산을 수행할 수 있는 플랫폼을 확립하는 것.

제안 방법

• 큐비트는 3 µm 간격을 가진 2D 광학 격자에 트랩된 87Rb 원자들의 초미세 수준에 코딩된다.
• 개별 큐비트 제어는 459 nm 레이저 빔을 이용한 국소적 RZ 회전과 1064 nm 광학 트랩을 이용한 원자 재배치를 통해 달성된다.
• 전역적인 마이크로파 구동 Rϕ(θ) 회전은 큐비트의 x-y 평면에서의 단일 큐비트 연산을 위해 사용된다.
• 제어된-Z(CZ) 염힘 게이트는 459 nm 및 1040 nm 레이저를 동시에 사용하여 두 원자 쌍의 라이드버그 상태로 자극함으로써 실현된다.
• 상태 준비 및 측정(SPAM) 오차는 랜덤라이즈드 레퍼런싱과 양자 과정 토모그래피를 사용하여 정량화하고 보정된다.
• 회로는 전역 Rϕ(θ), 국소 RZ(θ), 그리고 CZ 게이트로 구성된 보편 게이트 세트로 분해되며, 정밀도를 최적화하기 위해 시간 조절이 이루어졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로그래머블 중성 원자 양자 프로세서는 고정밀도로 다중 큐비트 얽힘을 수행할 수 있는가?
• RQ2 개별 큐비트 제어가 가능한 중성 원자 플랫폼에서 양자 위상 추정 및 QAOA와 같은 양자 알고리즘이 성공적으로 실행될 수 있는가?
• RQ3 SPAM 오차는 측정된 게이트 정밀도에 어떤 영향을 미치며, 이를 정확하게 보정할 수 있는가?
• RQ4 2D 배열에서 큐비트 수와 연결성에 따라 CZ 게이트 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이 플랫폼은 원자적 게이트 연산을 사용하여 보편적이고 오류 수정이 가능한 양자 계산을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• SPAM 보정 이전에 6 큐비트 그린버거-홀른-자일링턴(GHZ) 상태가 92.7(1.3)%의 정밀도로 준비되었으며, 보정 후 95.5%에 도달했다.
• 모든 연결된 큐비트 쌍에 대해 평균 SPAM 보정 벨 상태 정밀도는 92.5%였으며, 최적화된 쌍의 최대 정밀도는 95.5%였다.
• 3 큐비트 시스템에서 양자 위상 추정이 수행되었으며, 실행 시간은 390–460 µs 사이였고, 고정밀도 상태 재구성 결과를 도출했다.
• MaxCut에 대한 양자 근사 최적화 알고리즘(QAOA)은 p=1에서 p=3까지의 3- 및 4 큐비트 그래프에서 실시되었으며, 실행 시간은 최대 900 µs에 이르렀다.
• 상태 준비 및 측정(SPAM) 오차는 측정된 벨 상태 비정밀도의 2.2–3.1%를 차지했으며, 큐비트당 평균 SPAM 오차는 2.5%였다.
• 플랫폼는 고정밀도 단일 및 이중 큐비트 연산을 달성했으며, 라이드버그 자극 중에 트랩 레이저를 끄는 것으로 위상 분산가 억제되었다.