[논문 리뷰] Realizing quantum gates with optically-addressable $^{171}$Yb$^{+}$ ion qudits

M. A. Aksenov, I. V. Zalivako외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 17.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 435.5 nm 전기 구배 전이의 제이만 준수준에 정보를 인코딩한 광학적으로 주소 지정 가능한 $^{171}$Yb$^+$ 이온을 사용하여 두 개의 큐콰르트(d=4) 양자 프로세서를 증명하는 원리로 보여준다. 보편적인 게이트 세트를 실현하며, 단일 큐드릿 로테이션과 이중 큐드릿 Mølmer–Sørensen 게이트를 포함한다. 단일 큐드릿 게이트의 게이트 허용도는 83–89%이며, 이중 큐드릿 게이트는 65%이다. 레이저 위상 노이즈가 주요 오차 원인으로 규명되었다.

ABSTRACT

The use of multilevel information carriers, also known as qudits, is a promising path for exploring scalability of quantum computing devices. Here we present a proof-of-principle realization of a quantum processor register that uses optically-addressed $^{171}$Yb$^{+}$ ion qudits in a linear trap. The rich level structure of $^{171}$Yb$^{+}$ ions allows using the Zeeman sublevels of the quadrupole clock transition at 435.5 nm for efficient and robust qudit encoding. We demonstrate the realization of the universal set of gates consisting of single-qudit rotations and a two-qudit Molmer-Sorensen operation with a two-ququart system, which is formally equivalent to a universal gate-based four-qubit processor. Our results paves a way towards further studies of more efficient implementations of quantum algorithms with trapped-ion-based processors and, specifically, exploring properties of $^{171}$Yb$^{+}$ ion qudits.

연구 동기 및 목표

• 다양한 수준의 $^{171}$Yb$^+$ 이온을 큐드릿으로 사용하는 확장 가능한 양자 프로세서 아키텍처를 증명하는 것.
• 435.5 nm 전기 구배 전이의 제이만 준수준을 광학적으로 주소 지정하여 보편적인 양자 게이트 세트를 실현하는 것.
• 트랩된 이온 큐드릿 시스템에서 게이트 허용도를 평가하고 주요 오차 원인을 규명하는 것.
• 향후 고정밀도, 대규모 큐드릿 기반 양자 컴퓨팅을 위한 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 큐드릿은 $^{171}$Yb$^+$의 $^2S_{1/2}(F=0)$ 및 $^2D_{3/2}(F=2)$ 상태의 제이만 준수준에 인코딩되며, 광학 주소 지정을 위해 435.5 nm 전기 구배 전이를 사용한다.
• 단일 큐드릿 로테이션은 특정 제이만 준수준 전이에 공진하는 레이저 펄스를 통해 실현된다.
• 이중 큐드릿 Mølmer–Sørensen 유형 게이트는 이중 주파수 레이저 펄스를 사용하여 두 이온 간의 얽힘 상호작용을 유도한다.
• 레이저 위상 노이즈는 $|0\rangle \to |1\rangle$ 전이에 대한 이온 스펙트로스코피를 통해 특성화되며, 노이즈 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 추출할 수 있다.
• 추출된 레이저 노이즈 PSD를 포함한 수치 시뮬레이션을 사용하여 게이트 허용도 열화를 모델링하고 검증한다.
• 게이트 허용도는 상태 톰로그래피와 파리티 진동 프로토콜을 통해 실험적으로 측정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학적으로 주소 지정된 $^{171}$Yb$^+$ 이온 큐드릿을 사용하여 선형 트랩 내에서 보편적인 양자 게이트 세트를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이 큐드릿 기반 트랩된 이온 시스템에서 게이트 허용도를 제한하는 주요 오차 원인은 무엇인가?
• RQ3 $^{171}$Yb$^+$ 이온의 큐드릿 인코딩이 계산 능력 측면에서 네 큠퀴比特 프로세서를 어느 정도 모방할 수 있는가?
• RQ4 레이저 위상 노이즈는 이 시스템에서 이중 큐드릿 얽힘 게이트 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 레이저 안정성 향상 및 이온 온도 제어를 위한 기술적 업그레이드로 관측된 허용도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 단일 큐드릿 로테이션과 이중 큐드릿 Mølmer–Sørensen 게이트를 포함한 보편적인 게이트 세트를 실현하여 큐드릿 기반 양자 처리의 가능성을 입증한다.
• 단일 큐드릿 게이트 허용도는 83%에서 89% 사이로, 높은 정밀도의 단일 큐드릿 연산을 나타낸다.
• 이중 큐드릿 게이트 허용도는 65%로 측정되었으며, 주로 레이저 위상 노이즈에 의해 제한된다.
• 추출된 노이즈 PSD를 사용한 수치 시뮬레이션과 실험 데이터의 비교를 통해 레이저 위상 노이즈가 주요 오차 원인임을 규명했다.
• 추출된 레이저 노이즈 PSD를 시뮬레이션에 사용하면 65%의 게이트 허용도를 재현하며, 노이즈 모델의 타당성을 검증한다.
• 결과는 향후 레이저 안정성 향상 및 이온 온도 제어 개선을 통해 더 높은 정밀도의 큐드릿 연산이 가능해지며, 유사한 큐비트 기반 시스템에서 보고된 성능에 가까워질 것임을 시사한다.