[논문 리뷰] High-fidelity parallel entangling gates on a neutral atom quantum computer

Simon J. Evered, Dolev Bluvstein외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 11.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 88인용 수 12

한 줄 요약

두-qubit CZ 게이트를 병렬로 최대 60개의 중성 원자 큐비트에서 수행하며 Rydberg 차단 및 최적 제어 단일 펄스 게이트를 사용해 99.5% 충실도를 달성하고, 고충실도 세-qubit CCZ 게이트도 구현한다는 내용의 논문.

ABSTRACT

The ability to perform entangling quantum operations with low error rates in a scalable fashion is a central element of useful quantum information processing. Neutral atom arrays have recently emerged as a promising quantum computing platform, featuring coherent control over hundreds of qubits and any-to-any gate connectivity in a flexible, dynamically reconfigurable architecture. The major outstanding challenge has been to reduce errors in entangling operations mediated through Rydberg interactions. Here we report the realization of two-qubit entangling gates with 99.5% fidelity on up to 60 atoms in parallel, surpassing the surface code threshold for error correction. Our method employs fast single-pulse gates based on optimal control, atomic dark states to reduce scattering, and improvements to Rydberg excitation and atom cooling. We benchmark fidelity using several methods based on repeated gate applications, characterize the physical error sources, and outline future improvements. Finally, we generalize our method to design entangling gates involving a higher number of qubits, which we demonstrate by realizing low-error three-qubit gates. By enabling high-fidelity operation in a scalable, highly connected system, these advances lay the groundwork for large-scale implementation of quantum algorithms, error-corrected circuits, and digital simulations.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 계산 및 오차 수정에 선행하는 고충실도 얽힘 연산의 필요성 제시(중성 원자 플랫폼에서).
• 복수 큐비트 얽힘 게이트를 병렬로 구현하고 충실도가 파fault-tolerance 임계값을 상회하게 달성.
• Rydberg 유도 게이트에서 주요 오류 원인을 분석하고 완화하여 더 큰 규모의 양자 프로세서를 가능하게 함.
• 고차원 큐비트 얽힘 연산(예: CCZ)으로 일반화하고 성능을 평가.

제안 방법

• 최적 제어된 위상 프로파일을 갖는 단일 펄스 Rydberg-블로케이드 기반 CZ 게이트 패밀리 사용.
• 중간 상태 산란을 감소시키면서도 큰 이광속도(두 광자 Rabi 주파수)를 유지하기 위해 원자 어둠/밝은 상태를 활용.
• 람다-강화 그레이 몰래스 냉각 및 개선된 광 펌핑으로 운동 및 위상 간섭 오류 감소.
• 글로벌 펄스 매개변수로 게이트를 보정하여 대규모 흠집 없는 큐비트 배열에서 강건한 동작 가능.
• 벨 상태 토모그래피, 홀수 수의 게이트 트레인, 글로벌 무작위 벤치마킹으로 게이트 성능 벤치마크.
• CCZ를 위한 시간 최적 위상 프로파일 설계 및 삼각형 트리플 게이트 존에서 테스트하여 다큐비트 게이트로 확장.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적인 실험 조건에서 중성 원자 배열에 대해 병렬 이-qubit 얽힘 게이트의 충실도는 얼마인가?
• RQ2 시스템 규모가 커질 때 Rydberg 유도 게이트의 지배적 물리적 오류 원인은 무엇이며 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 동일한 방법으로 고충실도 다큐비트(세 및 그 이상) 게이트를 병렬로 구현할 수 있는가?
• RQ4 크게 배열에 걸친 게이트 성능의 균일성은 어느 정도이며 큐비트 수를 60 이상으로 늘릴 때 확장 성은 어떻게 되는가?
• RQ5 다른 게이트 펄스 구현은 충실도와 확장성 있는 양자 회로에서 어떤 차이와 실용성을 보이는가?

주요 결과

• 두-qubit CZ 게이트가 99.5%의 충실도로 60개 중성 원자 큐비트를 병렬로 작동시키며 달성.
• 벨 상태 원시 충실도 98.0(2)%에 도달했고 SPAM 보정 충실도는 약 99.4%(그려지지 않음)인 단일 CZ 게이트.
• 글로벌 무작위 벤치마킹에서 매개변수화된 시간-최적 및 매끄러운 진폭 게이트의 CZ 게이트 충실도는 각각 99.54(2)% 및 99.55(3)%.
• 60-큐비트 병렬 구현에서 CZ 게이트 충실도는 여전히 99.48(2)%로 배열 전체에 걸쳐 균일성 양호.
• 방법은 세-qubit CCZ 게이트로 일반화되며 21 큐비트에서 병렬로 ~97.9(2)% 충실도 달성, GHZ 유형 테스트에서 빠른 다큐비트 게이트 구현 가능.
• 주요 오류 원인으로 Rydberg 감소, 인접 Rydberg mJ 레벨에의 결합, 중간 상태 산란, 지상- Rydberg 탈상관(T2* ≈ 3 μs) 지적.