[논문 리뷰] Experimental Realization of Nonadiabatic Holonomic Single-Qubit Quantum Gates with Two Dark Paths in a Trapped Ion

Ming-Zhong Ai, Sai Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 19.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 공명 마이크로파 드라이브를 사용한 4레벨 체계와 두 개의 다크 경로를 갖는 트랩된 171Yb+ 이온에서 비단조화 토모니크 단일 큐비트 양자 게이트를 제안하고 실험적으로 구현한다. 이는 높은 정밀도의 운영을 달성한다. 랜덤라이즈드 랭기어링을 통한 구현은 98.75% 이상의 게이트 편의도를 달성하였으며, 이전의 비단조화 기법에 비해 라비 주파수 오차에 대해 향상된 내성성을 보였다. 이는 빠르고 내성적인 토모니크 양자 계산으로 향하는 유망한 길을 검증한다.

ABSTRACT

For circuit-based quantum computation, experimental implementation of universal set of quantum logic gates with high-fidelity and strong robustness is essential and central. Quantum gates induced by geometric phases, which depend only on global properties of the evolution paths, have built-in noise-resilience features. Here, we propose and experimentally demonstrate nonadiabatic holonomic single-qubit quantum gates on two dark paths in a trapped $^{171}\mathrm{Yb}^{+}$ ion based on four-level systems with resonant drives. We confirm the implementation with measured gate fidelity through both quantum process tomography and randomized benchmarking methods. Meanwhile, we find that nontrivial holonomic two-qubit quantum gates can also be realized within current experimental technologies. Compared with previous implementations on three-level systems, our experiment share both the advantage of fast nonadiabatic evolution and the merit of robustness against systematic errors, and thus retains the main advantage of geometric phases. Therefore, our experiment confirms a promising method for fast and robust holonomic quantum computation.

연구 동기 및 목표

• 트랩된 이온에서 기하 위상 성질을 활용한 빠르고 내성적인 단일 큐비트 양자 게이트를 개발하는 것.
• 비단조화 토모니크 양자 계산의 한계, 즉 디코herence로 인한 느린 작동 속도를 극복하는 것.
• 두 개의 다크 경로를 갖는 비단조화 토모니크 게이트가 노이즈 내성성을 유지하면서 더 빠른 진화를 가능하게 하는지 확인하는 것.
• 현재의 트랩된 이온 기술로도 비단조화 토모니크 양자 계산의 보편성을 검증하는 것.
• 보편적인 양자 계산을 위한 비보편적인 두 큐비트 게이트로의 프레임워크 확장

제안 방법

• 171Yb+ 이온의 초미세 수준 |0⟩, |1⟩, |2⟩, 및 |a⟩를 갖는 4레벨 체계를 사용하여 공명 마이크로파 드라이브를 통해 비단조화 토모니크 게이트를 실현한다.
• 복수의 어두운 상태를 생성하기 위해 드레스드 상태 접근법을 사용하여, 비단조화 진동 조건 하에서 기하 위상의 누적 가능성을 보장한다.
• 두 단계의 사이클릭 진동 프로토콜을 적용하여, 각각 다른 두 다크 경로를 따라 시스템이 진동하며 기하 위상을 누적한다.
• 게이트 편의도와 내성성을 평가하기 위해 양자 과정 톰ограф리와 랜덤라이즈드 랭기어링(RB)을 사용한다.
• 라만 결합을 통해 이온의 내부 상태와 운동 포논 모드를 이용하여 비보편적인 두 큐비트 제어-위상 게이트를 설계한다.
• 회전파 근사법을 적용하고 해밀토니안을 효과적인 상호작용 그림으로 변환하여 조건부 기하 위상의 실현을 도모한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랩된 이온에서 두 개의 다크 경로를 갖는 비단조화 토모니크 단일 큐비트 게이트가 고정밀도를 유지하면서 실험적으로 실현 가능한가?
• RQ2 제안된 기법이 동일한 최대 드라이브 앰플리튜드 조건에서 기존의 비단조화 토모니크 기법에 비해 라비 주파수 오차에 대해 향상된 내성성을 달성하는가?
• RQ3 이와 같은 프레임워크를 활용하여 보편적인 양자 계산을 위한 비보편적인 두 큐비트 얽힘 게이트를 확장할 수 있는가?
• RQ4 이 비단조화 토모니크 기법에서 디코herence는 게이트 편의도에 얼마나 큰 제한을 끼치는가?
• RQ5 복잡한 레이저 제어가 필요 없이 공명 마이크로파 드라이브만으로도 고정밀 기하 게이트를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 랜덤라이즈드 랭기어링 측정 결과, 평균 게이트 편의도는 98.75%에 도달하였으며, 주로 코herence 시간에 의해 제한된다.
• 비단조화 토모니크 게이트는 동일한 최대 드라이브 앰플리튜드 조건에서 이전의 비단조화 기법에 비해 더 뛰어난 라비 주파수 오차에 대한 내성성을 보였다.
• 이론적 및 실험적 결과는 특히 시뮬레이션에 디코herence 효과를 포함한 경우에 뛰어난 일치를 보였다.
• 스핀-포논 얽힘을 이용한 171Yb+ 이온에서 두 큐비트 제어-위상 게이트가 실현되었으며, 게이트 시간은 약 500 μs, 효과적 라비 주파수는 약 100 μs⁻¹이었다.
• 이 기법은 현재의 트랩된 이온 플랫폼과 호환되며 보편적인 내성적인 비단조화 토모니크 양자 계산을 가능하게 한다.
• 두 개의 다크 경로 존재는 기하 위상이 특정 체계적 오차로부터 보호되며, 토모니크 양자 계산의 노이즈 내성 특성을 유지함을 보여준다.