[논문 리뷰] Robust Trapped-Ion Quantum Logic Gates by Microwave Dynamical Decoupling

A. Bermúdez, Piet O. Schmidt외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 09.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 4인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 레이저 구동 진동수 매개 양자 게이트와 마이크로파 동적 분리 기법을 조합한 하이브리드 트랩 이온 양자 게이트 기법을 제안한다. 강한 마이크로파 구동을 통해 큐비트는 환경 노이즈로부터 분리되어, 지상 상태 냉각이나 복잡한 校정을 요구하지 않음으로써 구현을 단순화하고, ac-Stark 이완에 대한 저항성을 향상시킨다.

ABSTRACT

We introduce a hybrid scheme that combines laser-driven phonon-mediated quantum logic gates in trapped ions with the benefits of microwave dynamical decoupling. We demonstrate theoretically that a strong driving of the qubit decouples it from the external magnetic noise, and thus enhances the fidelity of two-qubit quantum gates. Moreover, the scheme does not require ground-state cooling, is inherently robust to undesired ac-Stark shifts, and simplifies previous gate schemes thus decreasing the effort in their realization.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장 노이즈로 인한 비가역성 문제를 완화시켜 트랩 이온 양자 두 큐비트 게이트의 신뢰도를 향상시키기.
• 트랩 이온 양자 계산 아키텍처에서 지상 상태 냉각이 필요 없도록 하기.
• 성능 저하를 초래할 수 있는 불필요한 ac-Stark 이완에 대한 저항성을 향상시키기.
• 마이크로파 동적 분리 기법을 진동수 매개 게이트 작동에 통합하여 기존 게이트 기법을 단순화하기.
• 트랩 이온 시스템에서 고신뢰도 양자 게이트의 더 신뢰할 수 있고 실험적으로 구현 가능한 구현을 가능하게 하기.

제안 방법

• 큐비트에 강한 마이크로파 구동을 적용하여 동적 분리를 유도함으로써, 저주파 자기장 노이즈로부터 큐비트를 효과적으로 분리한다.
• 마이크로파 동적 분리 기법과 레이저 구동 진동수 매개 두 큐비트 게이트를 조합하여 게이트의 비가역성을 유지한다.
• 마이크로파 구동 필드를 사용하여 추가적인 큐비트 또는 진동 상태 준비 없이도 비가역성 경로를 억제한다.
• 마이크로파 구동의 대칭성을 활용하여 자기장 변동에 대한 결합을 억제하면서도 게이트 작동의 정밀도를 유지한다.
• 마이크로파 필드의 특정 주파수 및 진폭 프로파일로 인해 ac-Stark 이완이 유의미하게 유도되지 않도록 게이트 프로토콜을 설계한다.
• 지상 상태 냉각이 없는 조건에서도 이 기법이 효과를 유지함으로써 실험적 복잡성을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 마이크로파 구동을 레이저 구동 진동수 매개 두 큐비트 게이트에 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ2 마이크로파 구동은 트랩 이온 양자 게이트에서 외부 자기장 노이즈에 대한 민감도를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 제안된 기법은 지상 상태 냉각 없이도 높은 게이트 신뢰도를 유지하는가?
• RQ4 기존 레이저 구동 게이트 구현 방식과 비교해 이 기법은 ac-Stark 이완을 어떻게 완화하는가?
• RQ5 마이크로파 구동 통합은 고신뢰도 두 큐비트 게이트의 실험적 실현을 어떻게 단순화하는가?

주요 결과

• 강한 마이크로파 구동을 통해 외부 자기장 노이즈로부터 큐비트를 분리함으로써 제안된 기법이 두 큐비트 게이트의 신뢰도를 크게 향상시킨다.
• 지상 상태 냉각이 필요 없이도 자기장 노이즈에 대한 저항성을 확보함으로써 실험적 부담을 감소시킨다.
• 마이크로파 구동 필드의 특수한 설계 덕분에 불필요한 ac-Stark 이완에 대해 본질적으로 내성적으로 저항성이 있다.
• 마이크로파 동적 분리 기법의 통합은 게이트 프로토콜을 단순화하여 실험적 실현의 복잡성을 감소시킨다.
• 이론적 분석을 통해 실제 노이즈 조건 하에서도 게이트 신뢰도가 유지됨을 확인하여 실용적 타당성을 입증한다.
• 잔여 진동 열화 및 자기장 변동이 존재하는 조건에서도 높은 성능을 유지한다.