[논문 리뷰] Quantum Gates on Individually-Addressed Atomic Qubits Subject to Noisy Transverse Motion

Marko Cetina, Laird Egan외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 14.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 개별적으로 주소 지정된 트랩된 이온 양자 게이트에서 약한 횡방향 구속으로 인한 축 방향 운동 노이즈가 품질 제한 요소임을 규명하고, 이온 이동과 전기장 노이즈를 통해 그 디코herence 영향을 모델링하며, 심비오틱으로 냉각된 보조 이온을 사용하여 가열을 억제하는 방법을 제안한다. 저자들은 실험적으로 이 노이즈가 체인 길이에 비례하여 증가함을 보여주고, 관측된 가열 속도와 일치하는 이론적 모델을 검증하여 확장 가능한 이온 트랩 양자 계산 시스템에서 개선된 게이트 품질을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Individual trapped atomic qubits represent one of the most promising technologies to scale quantum computers, owing to their negligible idle errors and the ability to implement a full set of reconfigurable gate operations via focused optical fields. However, the fidelity of quantum gate operations can be limited by weak confinement of the atoms transverse to the laser. We present measurements of this effect by performing individually-addressed entangling gates in chains of up to 25 trapped atomic ions that are weakly confined along the chain axis. We present a model that accurately describes the observed decoherence from the residual heating of the ions caused by noisy electric fields. We propose to suppress these effects through the use of ancilla ions interspersed in the chain to sympathetically cool the qubit ions throughout a quantum circuit.

연구 동기 및 목표

• 약한 축 방향 구속으로 인한 노이즈 있는 횡방향 운동으로 인해 발생하는 개별적으로 주소 지정된 트랩된 이온 양자 게이트의 디코herence를 규명하고 모델링하기.
• 최대 25개 이온으로 구성된 체인에서 잔류 이온 운동이 게이트 품질에 미치는 영향을 정량화하기.
• 전기장 노이즈에서 기인하는 가열을 억제하기 위해 공포착된 보조 이온을 사용한 심비오틱 냉각을 제안하기.
• 라비 드라이브 변동과 붕괴 파라미터 변화를 측정하여 모델을 실험적으로 검증하기.
• 운동 유도 오류를 완화시켜 대규모 이온 체인에서의 운동에 기인한 오류를 줄임으로써 확장 가능한 고품질 양자 계산을 실현하기.

제안 방법

• 이온의 정규 모드에서의 평균 제곱 이동과 라비 드라이브 곡률을 사용하여 개별적으로 주소 지정된 이온의 시간 평균 라비 주파수를 축 이동의 기능으로 모델링하기.
• 전기장 노이즈가 축 방향 운동을 유도하는 데 기반한 디코herence 모델을 유도하며, 가열 속도는 이온의 라비 드라이브 곡률 제곱과 모드 참여도에 비례함.
• 레이저 펄스 형상 조절과 집중 레이저 빔을 사용하여 장거리 이온 체인 내에서 큐비트를 개별적으로 주소 지정하고, 게이트 품질과 붕괴 파라미터 변화를 추적하기.
• 369-nm 레이저 조사에 의한 광자 산산이 흩트림을 통해 상태 준비 및 측정(SPAM) 오차를 측정하여 실험적 노이즈를 보정하기.
• 코루르의 힘과 트랩 포텐셜을 고려한 연속 전하 분포 모델을 사용하여 이온 체인을 시뮬레이션하고, 축 모드 주파수와 이온 수에 따른 스케일링을 계산하기.
• 큐비트 이온의 잔류 가열을 줄이기 위해 공포착된 여러 종류의 Yb 동위 원소를 사용하여 양자 회로 전반에 걸쳐 심비오틱 냉각을 가능하게 하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 축 방향 구속은 트랩된 이온 시스템에서 개별적으로 주소 지정된 양자 게이트의 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 장거리 이온 체인에서 이온 이동, 전기장 노이즈, 그리고 디코herence 간의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ3 축 방향 운동과 비균일한 전기장 노이즈로 인한 가열 속도는 체인 내 이온 수에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 이온 이동과 전기장 노이즈 파rameter의 조합을 사용하여 관측된 디코herence를 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ5 보조 이온을 사용한 심비오틱 냉각은 잔류 가열을 어느 정도 억제하고 대규모 트랩된 이온 양자 처리기에서 게이트 품질을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 15-과 25-이온 체인에서 예측된 것보다 1.2~1.35배 더 높은 관측된 디코herence 속도는 체인 전반에 걸친 비균일한 전기장에서 기인하는 추가 가열을 시사한다.
• 트랩 표면에서 45° 각도로 측정한 횡방향 가열 속도 150(20)/s는 모델 예측값 150/s와 일치하여 이론적 프레임워크의 타당성을 검증한다.
• 250개 이온까지의 체인에서 최저 축 모드 주파수는 N^(-0.856)로 스케일링되며, 이는 조화형 트랩에 대해 예측된 N^(-0.86) 스케일링과 일치한다.
• 상태 준비 및 측정(SPAM) 오차는 큐비트당 0.17%~1.36%로 정량화되었으며, 게이트 품질 추정치에 보정이 적용되었다.
• 모델은 공포착된 Yb 동위 원소를 사용한 심비오틱 냉각이 대규모 이온 트랩 양자 컴퓨터에서 가열을 억제하고 고품질 운영을 유지하는 데 기여할 수 있음을 예측한다.
• 실험 데이터는 축 운동 노이즈가 개별적으로 주소 지정된 이온 게이트 운영에서 중요한 확장 가능한 제한 요소임을 확인하며, 특히 장거리 체인에서 두드러진다.