[논문 리뷰] Power-optimal, stabilized entangling gate between trapped-ion qubits

R. Blümel, Nikodem Grzesiak외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 39인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 트랩된 이온 양자컴퓨터에서 레이저 빔의 진폭, 주파수, 위상을 동시에 조절하여 안정화된 두 큐비트 얽힘 게이트를 선형적이고 에너지 효율적으로 구성하는 방법을 제안한다. 이 방법은 매개변수 공간 탐색 없이도 증명 가능한 최적의 에너지 사용을 달성하고, 매개변수 변동에 대한 안정성을 확보하며, 실험적으로 99.9%를 초월하는 높은 정밀도의 게이트를 구현한다.

ABSTRACT

To achieve scalable quantum computing, improving entangling-gate fidelity and its implementation-efficiency are of utmost importance. We present here a linear method to construct provably power-optimal entangling gates on an arbitrary pair of qubits on a trapped-ion quantum computer. This method leverages simultaneous modulation of amplitude, frequency, and phase of the beams that illuminate the ions and, unlike the state of the art, does not require any search in the parameter space. The linear method is extensible, enabling stabilization against external parameter fluctuations to an arbitrary order at a cost linear in the order. We implement and demonstrate the power-optimal, stabilized gate on a trapped-ion quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 트랩된 이온 양자계산에서 고정밀도, 고효율의 두 큐비트 얽힘 게이트가 필요한 핵심 요구사항을 해결한다.
• 기존 펄스 형상 기법이 비용이 많이 들고 매개변수 공간 탐색이 필요한 데다 에너지 최적화가 되어 있지 않다는 한계를 극복한다.
• 외부 매개변수 변동에 대해 임의의 차수까지 안정화할 수 있는 확장 가능한 방법을 개발한다.
• 캐리어 결합, 이온-이온 간섭, 자발적 방출에 의한 오류를 최소화하기 위해 게이트 구현의 에너지 최적화를 달성한다.
• 실제 트랩된 이온 양자 프로세서에서 이 방법을 실험적으로 구현하여 성능과 내성의 타당성을 검증한다.

제안 방법

• 트랩된 이온에 조명하는 레이저 빔의 진폭, 주파수, 위상을 동시에 조절하여 Mølmer-Sørensen 해밀토니안을 생성한다.
• 다중 톤 레이저 빔을 주파수 μₙ = 2πn/τ로 사용하여 푸리에 기반 펄스 함수를 구성함으로써 효과적 상호작용을 정밀하게 제어한다.
• 펄스 에너벨로프 gᵢ(t) = Σₙ Aₙ sin(2πnt/τ)를 정의하여 상호작용 해밀토니안을 형상화하고 게이트 진화를 제어한다.
• 매그누스 전개를 활용하여 효과적 진화 연산자를 유도하고, 계수 χᵢⱼ를 갖는 원하는 xx 상호작용 항 σₓⁱσₓʲ를 분리한다.
• SK(Sørensen-Knill) 보정 기법의 직접적 확장을 통해 두 큐비트 게이트에 대한 매개변수 변동에 대한 안정화를 실현한다.
• 반복적 또는 히우리스틱한 매개변수 탐색을 피하기 위해 선형 방법을 활용하여 게이트 구축 문제를 해결함으로써 에너지 최적화를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매개변수 공간 최적화 없이도 에너지 최적화된 두 큐비트 얽힘 게이트를 선형 방법으로 구성할 수 있는가?
• RQ2 계산 비용이 차수에 대해 선형적으로 증가하는 방식으로, 외부 매개변수 변동에 대해 임의의 차수까지 안정화를 달성할 수 있는가?
• RQ3 트랩된 이온 양자 프로세서에서 동시에 진폭, 주파수, 위상을 조절할 경우 도달 가능한 게이트 정밀도와 에너지 효율성은 무엇인가?
• RQ4 기존의 펄스 형상 기법에 비해 이 방법은 게이트 정밀도와 자원 효율성 측면에서 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 이 방법은 실제 트랩된 이온 양자 컴퓨터에서 고정밀도 엽힘 게이트를 실험적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 매개변수 공간 탐색이 필요 없이 선형적 해법을 통해 엽힘 게이트를 구성함으로써 에너지 최적화를 달성한다.
• 매개변수 변동에 대한 안정화가 임의의 차수까지 실현되며, 계산 비용은 보정 차수에 대해 선형적으로 증가한다.
• 이 방법은 트랩된 이온 양자 프로세서에서 실험적으로 구현되어 두 큐비트 게이트 정밀도가 99.9%를 초월한다.
• 게이트 구현에 필요한 레이저 전력이 최소화되어 캐리어 결합, 이온-이온 간섭, 자발적 방출에 의한 오류가 감소한다.
• 다중 톤 빔을 사용하는 푸리에 기반 펄스 함수는 효과적 상호작용 해밀토니안과 게이트 진화를 정밀하게 제어할 수 있다.
• SK 기반 보정 기법이 두 큐비트 게이트로 성공적으로 확장되어 매개변수 변동 하에서 O(ε²) 수준의 오차 억제를 달성한다.