[논문 리뷰] Robust entanglement by continuous dynamical decoupling of the J-coupling interaction

Christophe H. Valahu, A. M. Lawrence외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 01.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 69인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 트랩된 이온을 위한 레이저를 사용하지 않는 강건한 σz⊗σz 얽힘이 생기는 게이트를 제안하며, 자기장 노이즈와 큐비트 주파수 변동으로 인한 위상 분리 현상을 억제하기 위해 연속적인 동적 분할(CDD)과 마이크로파 필드를 사용한다. 연속적인 마이크로파 필드 쌍을 적용함으로써 시스템은 분해되지 않는 부분공간을 형성하게 되어, 높은 초기 온도와 기저 상태 냉각이 없이도 고정밀도의 얽힘을 가능하게 하며, 고장내성 임계치(10−4)를 초월하는 성능을 보인다. 이는 운동적 열화 조건에서도 성립한다.

ABSTRACT

We propose a σz⊗ σzlaser-free entangling gate which uses the intrinsic J-coupling of ions in a static magnetic gradient. Dephasing of the interaction is suppressed by means of continuous dynamical decoupling using pairs of microwave fields. The gate is virtually insensitive to common amplitude noise of the microwave fields and enables high fidelities despite qubit frequency fluctuations, while the J-coupling interaction's inherent robustness to motional decoherence is retained. Errors far below the fault-tolerant threshold can be achieved at high initial temperatures, negating the requirement of sideband cooling below the Doppler temperature. By adjusting the powers of the continuous microwave fields, the J-coupling interaction can be tuned and can be used to implement parallel entangling gates within an ion chain.

연구 동기 및 목표

• 공통적인 노이즈 원인에 대해 강건한 확장 가능한 레이저를 사용하지 않는 얽힘 게이트를 개발하기 위해.
• 자기장 변동과 큐비트 주파수 노이즈로 인한 J-결합 게이트의 위상 분리에 취약성을 해결하기 위해.
• 도플러 온도 이하의 기저 상태 냉각이 필요 없이 고정밀도의 얽힘을 가능하게 하기 위해.
• 노이즈가 있는 NISQ 시대 조건에서 운동적 분해를 유지하면서도 고장내성 정밀도를 확보하기 위해.
• 연속적인 마이크로파 필드의 세기를 조절하여 J-결합을 조절함으로써 이온 체인 내에서 병렬 게이트 작동을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 연속적인 마이크로파 필드를 사용하여 동적 분할을 시행함으로써 큐비트 상태에 대한 분해되지 않는 부분공간을 생성한다.
• 정적 자기장 기울기를 적용하여 이온 간에 J-결합을 유도함으로써 수동적이고 레이저가 없는 얽힘 상호작용을 가능하게 한다.
• 스핀과 운동 자유도를 분리하기 위해 폴라론 변환을 사용하여 효과적인 해밀토니안을 단순화한다.
• 연속적인 마이크로파 필드의 세기를 조절하여 효과적인 J-결합 강도를 제어함으로써 이온 체인 내에서 병렬 얽힘 게이트를 가능하게 한다.
• 전극 전압 변동으로 인한 자기장 노이즈를 모델링하며, 이는 교류 주파수 νz와 기울기 ∂zB에 비례함을 보여준다.
• 스토케스틱 노이즈 모델(오르누슈-울렌벡 과정)을 사용하여 위상 분리를 시뮬레이션하고, 현실적인 노이즈 조건 하에서 게이트 정밀도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속적인 동적 분할이 레이저 제어 없이 J-결합 기반 얽힘 게이트의 위상 분리를 억제할 수 있는가?
• RQ2 게이트 정밀도가 자기장 노이즈, 큐비트 주파수 변동 및 운동적 열화에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 사이드밴드 냉각이나 기저 상태 준비 없이도 고장내성 게이트 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 연속적인 마이크로파 필드를 통해 J-결합 상호작용을 얼마나 조절할 수 있으며, 이는 병렬 게이트 작동에 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ5 전압 노이즈 존재 조건에서, ∂zB와 νz에 의해 결정되는 게이트 속도와 νz−4 비례로 증가하는 위상 분리 노이즈 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 연속적인 동적 분할 기법은 자기장 노이즈로 인한 위상 분리를 억제하며, 시계 상태 수준의 공명 시간을 달성한다.
• 높은 초기 온도와 운동적 열화 조건에서도 정밀도가 1−10−4를 초월하여 사이드밴드 냉각이 필요 없게 된다.
• 마이크로파 드레싱 필드의 세기 변동에 거의 민감하지 않아 강건성이 향상된다.
• 마이크로파 세기를 조절함으로써 J-결합 강도를 제어할 수 있으며, 이는 단일 이온 체인 내에서 병렬 얽힘 게이트를 가능하게 한다.
• 자기장 노이즈는 νz−4 비례로 증가하지만, 게이트 속도는 νz−2 비례로 증가하므로, 낮은 진동 주파수에서는 정밀도에 악영향을 미친다.
• 펄스 기반 동적 분할보다 큐비트 주파수 변동 억제에서 더 뛰어난 성능을 보이며, 운동적 분해에 대해서도 강건성을 유지한다.