[논문 리뷰] Scalable, high-fidelity all-electronic control of trapped-ion qubits

C. M. Löschnauer, Jacopo Mosca Toba외 11명|arXiv (Cornell University)|2024. 07. 10.

Quantum Information and Cryptography인용 수 6

한 줄 요약

본 논문은 공유된 AC 자기 구동과 국소 DC 조정 전극을 이용한 트랩 이온 큐비트의 전자식(레이저 없는) 제어를 모두 구현하여, 기록적인 충실도를 달성했다: 7-zone 트랩에서 단일 큐비트 게이트의 충실도 99.99916(7)%, 이온 간 얽힘 게이트의 충실도 99.97(1)%.

ABSTRACT

The central challenge of quantum computing is implementing high-fidelity quantum gates at scale. However, many existing approaches to qubit control suffer from a scale-performance trade-off, impeding progress towards the creation of useful devices. Here, we present a vision for an electronically controlled trapped-ion quantum computer that alleviates this bottleneck. Our architecture utilizes shared current-carrying traces and local tuning electrodes in a microfabricated chip to perform quantum gates with low noise and crosstalk regardless of device size. To verify our approach, we experimentally demonstrate low-noise site-selective single- and two-qubit gates in a seven-zone ion trap that can control up to 10 qubits. We implement electronic single-qubit gates with 99.99916(7)% fidelity, and demonstrate consistent performance with low crosstalk across the device. We also electronically generate two-qubit maximally entangled states with 99.97(1)% fidelity and long-term stable performance over continuous system operation. These state-of-the-art results validate the path to directly scaling these techniques to large-scale quantum computers based on electronically controlled trapped-ion qubits.

연구 동기 및 목표

• 저잡음 고충실도 게이트 제어를 갖춘 확장 가능한 트랩 이온 양자 컴퓨터의 필요성을 제시한다.
• 공유 구동 및 국소 조정을 이용한 사이트 선택적 작동을 가진 전자식 TIQC 아키텍처를 제안하고 검증한다.
• 다중 구역 트랩에서 최신 수준의 단일 및 이-qubit 게이트 충실도를 입증한다.
• 확장 가능한 양자 제어를 위한 칩 규모 전자의 통합 가능성을 보여준다.

제안 방법

• 게이트를 위한 전역 자기장을 제공하기 위해 공유된 AC 전류 도체를 갖춘 칩을 사용한다.
• 사이트 선택적 제어를 위한 이온 위치와 국부 해밀토니안을 조정하기 위해 국소 DC 조정 전극을 활용한다.
• 전력 효율적인 전역 제어를 위해 직렬 배선된 구동 트레이스를 사용하여 게이트를 작동시킨다.
• 숨겨진 큐비트의 잔류 라비 오류를 완화하기 위해 Solovay-Kitaev-1 합성 펄스를 구현한다.
• 가변 가능한 단일 및 이-qubit 게이트를 모두 시연하고 Molmer-Sorensen 유형 얽힘 상호작용을 포함한다.
• 랜덤화 벤치마킹과 패리티 진동으로 게이트 성능을 벤치마킹하여 충실도와 누설 간섭을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자식, 레이저 없는 트랩 이온 양자 컴퓨터가 대규모로 사이트 선택적이고 고충실도인 단일 및 이-qubit 게이트를 제공할 수 있는가?
• RQ2 공유 구동과 국소 조정 전략이 다수의 트랩 구역에 걸친 충실도, 간섭(crosstalk), 확장성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 장기간 작동에서 전자적으로 제어되는 게이트의 실제 충실도와 drift 특성은 어떠한가?
• RQ4 확립된 제조 공정을 사용하여 중형 및 대형 규모의 트랩 이온 QC로 확장하는 데 이 아키텍처가 호환되는가?

주요 결과

• 단일 큐비트 게이트는 99.99916(7)% 충실도(클리포드당)로 달성되며, 일곱 구역에 걸쳐 낮은 crosstalk를 보인다.
• 이-qubit 최대 얽힘 상태는 99.97(1)% 충실도에 도달하며, 데이터 수집 약 60시간 동안 안정적인 성능을 보인다.
• RB 측정은 대상 큐비트 오차를 8.4(7)×10^-6 per Clifford로 보이고, 다른 구역이 활성화/숨겨진 상태일 때 누적된 crosstalk가 무시될 만큼 작다.
• 공유 구동으로부터 숨겨진 큐비트에 대한 잔류 crosstalk는 1.6(8)×10^-6 per Clifford로 측정되어 표적 외 효과가 매우 낮음을 시사한다.
• 얽힘 게이트 성능은 충실도당 약 1×10^-4의 일일 drift로 견고하며, 하루 내 보정 전략이 가능함을 시사한다.
• 전기적 조정은 각도 조정 가능한 이-qubit 게이트와 구역 간 확장 가능하고 병렬 작동을 가능하게 한다.