[論文レビュー] A quantum information processor with trapped ions

Philipp Schindler, Daniel Nigg+11 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Aug 14, 2013

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 5被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、線形パウエルトラップ内に閉じ込められた40Ca+イオンを用いた小規模な捕獲イオン量子情報処理装置を提案し、初期化、ユニタリゲート、測定、誤り低減技術を含む一連のコherentおよび非coherent操作を実証することで、量子フーリエ変換および位数発見アルゴリズムの効率的実装を可能にした。主な貢献は、状態トモグラフィーと古典的シミュレーションを用いてフィデリティをベンチマークしたスケーラブルな量子アルゴリズムの実験的実現であり、位数発見操作における平均状態フィデリティは80.7%に達した。

ABSTRACT

Quantum computers hold the promise to solve certain problems exponentially faster than their classical counterparts. Trapped atomic ions are among the physical systems in which building such a computing device seems viable. In this work we present a small-scale quantum information processor based on a string of $^{40}$Ca${^+}$ ions confined in a macroscopic linear Paul trap. We review our set of operations which includes non-coherent operations allowing us to realize arbitrary Markovian processes. In order to build a larger quantum information processor it is mandatory to reduce the error rate of the available operations which is only possible if the physics of the noise processes is well understood. We identify the dominant noise sources in our system and discuss their effects on different algorithms. Finally we demonstrate how our entire set of operations can be used to facilitate the implementation of algorithms by examples of the quantum Fourier transform and the quantum order finding algorithm.

研究の動機と目的

• 捕獲された40Ca+イオンを用いた完全に動作する小規模な量子情報処理装置の開発を目的とし、ユニバーサル量子操作の実証を行う。
• マクロな線形パウエルトラップにおけるqubitメモリおよび量子操作に影響を与える主要なノイズ源を特定・特徴付ける。
• 最小限のqubitレジスタを用いて、量子フーリエ変換および量子位数発見アルゴリズムを実装・ベンチマークする。
• 誤り低減およびアルゴリズム効率向上のため、非coherent操作を用いて任意のマコビアン過程を実現可能であることを示す。
• ノイズ源の同定を通じて誤り率を低減することで、スケーラブルでフォールトトレラントな量子計算の基盤を構築する。

提案手法

• プロセッサは線形パウエルトラップを用いて40Ca+イオンのストリングを閉じ込め、coherent操作には4S1/2および3D5/2状態にqubitを符号化し、量子メモリにはゼーマン準位を用いる。
• 量子ゲートはレーザー駆動Raman遷移およびマイクロ波場を用いて実装され、高精度な単一および双粒子ゲート操作が可能となった。
• 状態準備、測定、運動モードのアクティブな再冷却といった非coherent操作を用いて、任意のマコビアン過程を実現した。
• 量子状態検出は蛍光イメージングによる電子シェルビングを用い、高コントラストな個別イオン状態読み出しを実現した。
• ノイズ源は、初期化、ゲート操作、測定中のデコherenceを測定することで分析され、誤り率は状態トモグラフィーと古典的シミュレーションを用いて定量化された。
• 位数発見アルゴリズムは制御された順列操作を用いて実装され、qubit数およびゲート数を最小限に抑えるようにシーケンスが最適化され、実験的状態確率測定により検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕獲イオン量子プロセッサにおいて、非coherentプロセスを含むユニバーサルな量子操作セットをどのように実装できるか？
• RQ2 マクロな線形パウエルトラップにおけるqubitメモリおよびゲート操作に影響を与える主要なノイズ源は何か？
• RQ3 異なるノイズ源は、量子フーリエ変換や位数発見といった量子アルゴリズムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 非coherent操作と事後選別を用いることで、量子フーリエ変換レジスタに必要なqubit数を削減できるか？
• RQ5 ノイズ特徴化および最適化された操作シーケンスを通じて、実験的誤り率をどれほど低減でき、アルゴリズムのフィデリティを維持できるか？

主な発見

• 状態トモグラフィーを用いた測定により、4つのテストされた順列操作における平均状態フィデリティが80.7%に達し、理想的な結果およびシミュレーション結果と比較された。
• 量子フーリエ変換の実装では、測定後のフィードフォワードと再冷却を用いることで、レジスタ全体に1つのqubitのみを必要とし、qubitのオーバーヘッドを顕著に低減した。
• Raman再冷却は800 μsに最適化され、残存運動励起と位相減衰のバランスを取ることで、測定後のエンタングルゲートの安定動作を可能にした。
• 主な誤り源は操作シーケンスに依存しており、初期化および測定中のデコherence、およびcoherent操作中のゲート不正確性が主な制限要因と特定された。
• 光学状態と基底状態の両方を用いることで、高精度な状態準備、測定、長寿命の量子メモリが実現され、アルゴリズムの耐障害性が向上した。
• TIQC-SPICEを用いた古典的シミュレーションは実験結果とよく一致し、モデルの妥当性を検証するとともに、誤り解析と最適化を可能にした。