[논문 리뷰] Native qudit entanglement in a trapped ion quantum processor

Pavel Hrmo, Benjamin Wilhelm외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 08.

Quantum Information and Cryptography인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 트랩된 이온 양자 프로세서에서 일반화된 빛 이동 게이트 메커니즘을 사용하여 자연스럽게 두 개의 큐디트를 얽히게 하는 게이트를 구현한다. 이로 인해 단일 게이트 적용으로 최대 $ d = 5 $ 차원의 큐디트에서 최대 얽힘을 달성할 수 있다. 게이트 校정의 오버헤드는 큐디트 차원에 영향을 받지 않아, 실험적 복잡도를 줄이고 높은 정밀도의 얽힘 생성이 가능한 확장 가능한 큐디트 양자 계산이 가능해진다.

ABSTRACT

Quantum information carriers, just like most physical systems, naturally occupy high-dimensional Hilbert spaces. Instead of restricting them to a two-level subspace, these high-dimensional (qudit) quantum systems are emerging as a powerful resource for the next generation of quantum processors. Yet harnessing the potential of these systems requires efficient ways of generating the desired interaction between them. Here, we experimentally demonstrate an implementation of a native two-qudit entangling gate in a trapped-ion qudit system up to dimension $5$. This is achieved by generalizing a recently proposed light-shift gate mechanism to generate genuine qudit entanglement in a single application of the gate. The gate seamlessly adapts to the local dimension of the system with a calibration overhead that is independent of the dimension.

연구 동기 및 목표

• 단일 게이트 적용으로 진정한 큐디트 얽힘을 생성하는 네이티브 두 큐디트 얽힘 게이트를 개발함으로써 반복적인 큐비트 얽힘 연산을 피하고자 한다.
• 큐디트 차원에 따라 증가하지 않는 게이트 校정 오버헤드를 통해 고차원 큐디트 시스템에서의 校정 복잡도를 감소시키고자 한다.
• 트랩된 이온의 전체 힐베르트 공간을 활용하여 확장 가능하고 고정밀도의 큐디트 양자 정보 처리를 가능하게 하고자 한다.
• 고차원 큐디트 시스템에서 게이트 정밀도를 제한하는 노이즈 원인을 특성화하고 완화하고자 한다.
• 큐디트 얽힘의 측정치가 큐비트 얽힘 측정치를 초월함으로써 진정한 고차원 얽힘임을 확인하고자 한다.

제안 방법

• 큐디트 상태에 따라 다른 빛 이동을 유도하는 $ ^4\text{S}_{1/2} \leftrightarrow \, ^4\text{D}_{5/2} $ 전이를 통해 상태 의존적인 광학적 디플력(광학적 디폴)을 사용한다.
• 원거리 공 resonance 레이저를 사용하여 단일 대칭 빛 이동 게이트를 적용함으로써 내부 큐디트 상태에 따라 기하학적 위상 이동을 유도한다.
• 이 게이트 메커니즘은 모든 큐디트 수준에서 동시에 작동하도록 일반화되어 대칭성을 유지하고, 차원에 영향을 받지 않는 校정을 가능하게 한다.
• 각 $ \ket{S} \leftrightarrow \ket{D} $ 전이 쌍에 국소적 운영을 적용하고, 레이저 강도를 해석적으로 조정하여 게이트 대칭성을 유지한다.
• 운동적 디코herence와 기술적 노이즈를 포함한 독립적으로 측정된 오차 매개변수를 사용한 수치적 오차 모델을 통해 노이즈 원인을 특성화한다.
• 스웨이프 수치, 콘카르던스, 그리고 얽힘의 형성 에너지를 사용하여 얽힘을 검증하고, 이상적인 최대 얽힘 상태와의 정밀도 및 얽힘 지표를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 네이티브 큐디트 게이트가 반복적인 큐비트 얽힘 연산 없이 모든 큐디트 수준에서 최대 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 게이트의 校정 오버헤드는 큐디트 차원에 따라 증가하는가, 아니면 차원에 독립적으로 유지될 수 있는가?
• RQ3 고차원 큐디트 시스템에서 게이트 정밀도를 제한하는 주요 노이즈 원인은 무엇인가?
• RQ4 생성된 상태의 콘카르던스와 스웨이프 수치가 어떤 큐비트 얽힘 상태의 최대값을 초월할 수 있는가?
• RQ5 이 게이트는 $ d=4 $를 초월하는 차원에서 최적의 얽힘을 위해 작동 방식을 일반화할 수 있는가?

주요 결과

• 큐디트 차원 $ d = 2, 3, 4, 5 $ 에서 최대 스웨이프 수치 얽힘을 달성하여 진정한 큐디트 얽힘을 확인하였다.
• $ d = 2, 3, 4 $ 에서 측정된 콘카르던스는 어떤 큐비트 얽힘 상태의 최대값을 초월하여 고차원 얽힘임을 입증하였다.
• $ d = 2 $ 에서 게이트 정밀도는 운동적 디코herence 시간에 의해 제한되나, $ d = 4, 5 $ 에서는 느린 주파수 노이즈로 인한 국소적 운영의 디코herence로 인해 제한된다.
• 독립적으로 측정된 오차 원인을 사용한 수치적 오차 모델과 실험 데이터 간의 일치가 양호하여 노이즈 특성화의 타당성을 검증하였다.
• 교정 오버헤드는 큐디트 차원에 영향을 받지 않으며, 추가 수준마다 오직 한 개의 국소적 운영과 레이저 강도 조정만 추가로 필요하다.
• $ d = 4 $ 및 $ d = 5 $ 에서 콘카르던스는 $ d = 3 $ 의 최대값을 초과하지 않아, 고차원에서 최대 얽힘을 생성하는 것이 점점 더 어려워지고 있음을 시사한다.