[논문 리뷰] Laser-driven quantum logic gates with precision beyond the fault-tolerant threshold

C. J. Ballance, T. P. Harty외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 14.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실온에서 동작하는 이온 트랩을 사용하여 칼슘-43 이온에서 레이저 구동 양자 게이트를 구현하며, 단일 큐비트 게이트의 정밀도가 99.9934(3)%이고 이중 큐비트 게이트의 정밀도가 99.9(1)%에 도달하여 고장내성 임계값을 초과함을 보여준다. 장수명의 초미세구조 큐비트와 실온 이온 트랩을 활용하여 게이트 속도를 최적화하고 주요 오차 원인을 규명함으로써 고정밀도 연산을 달성하였으며, 이는 포획된 이온 시스템이 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 위한 정밀도 요구 조건을 충족시킬 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

A quantum computer could solve problems intractable on any conventional machine, but the physical resources necessary to build one depend strongly on the precision with which its constituent qubits can be manipulated. We demonstrate laser-driven two-qubit and single-qubit logic gates with fidelities 99.9(1)% and 99.9934(3)% respectively, using qubits stored in long-lived hyperfine states of calcium-43 ions held in a room-temperature device. Calcium-43 ions have exhibited the longest coherence time ($T_2^*\approx 50$sec) and the highest state preparation and measurement fidelity of any single physical qubits. We study the speed/fidelity trade-off for the two-qubit gate, for gate times between 3.8$\mu$s and 520$\mu$s, and develop a theoretical model allowing us to identify the principal technical sources of error. We conclude that trapped-ion quantum logic is possible with the precision necessary for a practical quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 계산을 위한 필수 조건인 고장내성 임계값을 초월하는 양자 게이트 정밀도를 달성하기 위해.
• 장수명의 초미세구조 상태에 저장된 큐비트를 사용하여 고정밀도 단일 및 이중 큐비트 양자 논리 게이트를 구현하기 위해.
• 3.8 μs에서 520 μs까지의 게이트 시간 범위에서 이중 큐비트 게이트의 속도/정밀도 상호 간의 상충 관계를 조사하기 위해.
• 포획된 이온 양자 프로세서에서 게이트 정밀도를 제한하는 주요 기술적 오차 원인을 규명하고 모델링하기 위해.

제안 방법

• 실온 이온 트랩에 포획된 칼슘-43 이온에서 초미세구조 큐비트 상태를 조작하기 위해 공명 레이저 펄스를 사용하여 레이저 구동 양자 게이트를 구현함.
• 단일 큐비트 게이트는 초미세구조 수준 간의 라만 전이를 통해 적용되며, 이중 큐비트 게이트는 이온의 진동 모드를 통해 매개되는 제어된-Z 유형의 상호작용을 활용함.
• 상태 준비 및 측정 토모그래피를 통해 게이트 정밀도를 측정하며, 정밀도를 정량화하기 위해 불확실성 값을 보고함.
• 속도/정밀도 상충 관계를 분석하기 위해 이론적 모델을 수립하였으며, 이로써 디코herence, 레이저 강도 노이즈, 레이저 주파수 노이즈가 주요 오차 원인임을 규명함.
• 초미세구조 큐비트의 공명 시간(T₂* ≈ 50 초)을 활용하여 게이트 운영 중 디코herence를 최소화함.
• 3.8 μs에서 520 μs까지의 게이트 지속 시간을 체계적으로 변화시켜 게이트 속도 대 정밀도의 관계를 특성화하고 최적의 운영 윈도우를 도출함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포획된 칼슘-43 이온에서 레이저 구동 이중 큐비트 및 단일 큐비트 게이트가 양자 오류 수정을 위한 고장내성 임계값을 초월하는 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 3.8 μs에서 520 μs까지의 게이트 지속 시간 범위에서 이중 큐비트 운영의 속도/정밀도 상충 관계는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 레이저 노이즈, 디코herence, 제어 불완전성 등의 기술적 요인이 고정밀도 포획된 이온 게이트에서 주요 오차 원인인가?
• RQ4 칼슘-43 이온의 공명 시간과 상태 준비 정밀도를 활용하여 실온 환경에서 기록적인 게이트 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 식별된 오차 원인을 바탕으로 포획된 이온 양자 게이트의 정밀도 한계를 모델링하고 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 큐비트 게이트 정밀도가 99.9934(3)%에 도달하여 양자 오류 수정을 위한 고장내성 임계값을 초월함.
• 이중 큐비트 게이트 정밀도가 99.9(1)%에 도달하여 역시 고장내성 임계값을 초월함.
• 칼슘-43 이온의 공명 시간은 약 50초로, 현재까지 보고된 바 있는 어떤 단일 물리 큐비트보다도 가장 길음.
• 연구는 레이저 강도 노이즈와 주파수 노이즈가 게이트 운영에서 주요 기술적 오차 원인임을 규명함.
• 이론적 모델이 3.8 μs에서 520 μs까지의 게이트 지속 시간 범위에서 관측된 속도/정밀도 상충 관계를 성공적으로 설명함.
• 결과적으로 포획된 이온 양자 논리가 실용적이고 확장 가능한 양자 컴퓨터를 위한 필수 정밀도를 달성할 수 있음을 확인함.