[논문 리뷰] Mid-circuit measurements on a single species neutral alkali atom quantum processor

T. M. Graham, L. Phuttitarn외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 17.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 56인용 수 15

한 줄 요약

보호된 하이퍼파인 상태에 데이터 큐비트를 대피시키고 보조 큐비트를 무손상으로 측정하는 방식으로 Cs 중성 원자 배열에서 중회로(mid-circuit) 측정을 확장 가능하게 시연하고, SPAM 보정 충실도를 높게 달성하며 데이터 큐비트의 코히런스를 보존한다.

ABSTRACT

We demonstrate mid-circuit measurements in a neutral atom array by shelving data qubits in protected hyperfine-Zeeman sub-states while non-destructively measuring an ancilla qubit. Measurement fidelity was enhanced using microwave repumping of the ancilla during the measurement. The coherence of the shelved data qubits was extended during the ancilla readout with dynamical decoupling pulses, after which the data qubits are returned to mf = 0 computational basis states. We demonstrate that the quantum state of the data qubits is well preserved up to a constant phase shift with a state preparation and measurement (SPAM) corrected process fidelity of F = 97.0(5)%. The measurement fidelity on the ancilla qubit after correction for state preparation errors is F = 94.9(8)% and F = 95.3(1.1)% for |0> and |1> qubit states, respectively. We discuss extending this technique to repetitive quantum error correction using quadrupole recooling and microwave-based quantum state resetting.

연구 동기 및 목표

• 단일 종 Cs 중성 원자 프로세서에서 중회로 측정을 시연한다.
• 보조 큐비트 읽기 중 데이터 큐비트를 하이퍼파인 상태로 대피시켜 보호한다.
• 보조 큐비트 읽기 충실도를 정량화하고 데이터 큐비트 코히런스에 미치는 영향을 평가한다.
• SPAM 보정된 프로세스 충실도가 전고장 허용 수준에 근접하는지 보여주고 큐비트 재설정 및 에러 수정으로의 경로를 논의한다.

제안 방법

• 데이터 큐비트를 f=3 하이퍼파인 다중상으로 대피시켜 측정광으로부터 분리한다.
• 형광 검출을 이용한 보조 큐비트의 비파괴적이고 상태 선택적 측정.
• 보조 큐비트 측정 중 데이터 큐비트에 다이나믹 디커플링(세 펄스 에코 시퀀스) 적용.
• 대피 전이를 선택적으로 구동하고 편파를 관리하기 위한 두 개의 마이크로파 안테나(혼) 제어.
• 보조 큐비트 보호를 위해 위치선택적 스타크 시프트를 가진 비공명 재펌입 광원을 사용한 보조 큐비트 읽기.
• 데이터 큐비트 및 보조 큐비트 읽기 충실도 평가를 통해 SPAM 보정된 프로세스 충실도를 Ramsey 타입 벤치마킹으로 정량화한다.

Figure 1: a) Experimental layout for mid-circuit measurement. Atoms were trapped and cooled into a $3\times 3$ 1064-nm tweezer array. The microwave horns are each attached to 40 W amplifiers that are driven by 9.2 GHz signals. A 459-nm beam provided site-selective Stark shifts on targeted sites. Dur

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 종의 중성 원자 배열에서 중회로 측정이 데이터 큐비트 상태를 파괴하지 않고 구현될 수 있는가?
• RQ2 중회로 측정 중 달성 가능한 보조 큐비트 읽기 충실도와 데이터 큐비트 코히런스 유지 충실도는 어느 정도인가?
• RQ3 데이터 큐비트를 대피시키고 에코 디커플링을 수행하는 것이 데이터 큐비트와 보조 큐비트의 전체 양자 프로세스 충실도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 고장 허용 운용에 도달하기 위해 필요한 개선점은 무엇인가? 예: 큐비트 재설정, 더 빠른 회전, 재냉각 등

주요 결과

• SPAM 보정 이후 보조 큐비트 읽기 충실도는 중회로 측정하에서 데이터 큐비트 보존을 위해 대략 97.0%에 달한다.
• |0>에 대해 약 94.9%, |1>에 대해 95.3%의 보조 큐비트 측정 충실도가 SPAM 보정 후에 얻어진다.
• 원시 데이터 큐비트 프로세스 충실도가 중회로 측정 중 약 93.8%; SPAM 보정 후 프로세스 충실도는 약 97.0%이다.
• 데이터 큐비트는 보조 큐비트 읽기 동안 코히런스를 유지하며, 측정된 Ramsey 기반 위상 이동이 단위 위상 게이트와 일치하도록 나타난다(평균 원시 프로세스 충실도 약 93.8%, SPAM 보정 후 97.0%).
• 코히런스 보존은 다이나믹 디커플링(8 Hahn 에코 펄스)과 측정 편향의 열화/위상 분산을 제한하기 위한 최적의 읽기 detuning 균형으로 가능해진다.
• 사이클가능한 큐비트 재설정과 반복적 에러 수정으로의 확장 경로를 쿼드폴 재냉각과 마이크로파 기반 재설정을 통해 확인했다.

Figure 2: Mid-circuit measurement results. a) To show that the data qubits retain coherence during the mid-circuit measurement, we prepared the atoms in $\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\ket{0}+\ket{1}\right)$ using a $\pi/2$ -microwave pulse and then performed a mid-circuit measurement on the ancilla. Afte