[論文レビュー] Demonstration of multi-qubit entanglement and algorithms on a programmable neutral atom quantum computer

Trent Graham, Yipu Song+23 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、2次元配列内の個別にアドレス可能なキュービットを用いたゲートモデル中性原子量子プロセッサ上で、普遍的でプログラマブルな量子計算を実証している。マイクロ波とレーザー制御を組み合わせ、Rydberg媒介エンタングルゲートを用いることで、6キュービットまで高精度なマルチキュービットエンタングルメントを達成し、GHZ状態の準備、量子位相推定、MaxCutのためのQAOAを含む量子アルゴリズムを成功裏に実装した。SPAM補正済みベル状態の忠実度は95.5%に達した。

ABSTRACT

Gate model quantum computers promise to solve currently intractable computational problems if they can be operated at scale with long coherence times and high fidelity logic. Neutral atom hyperfine qubits provide inherent scalability due to their identical characteristics, long coherence times, and ability to be trapped in dense multi-dimensional arrays\cite{Saffman2010}. Combined with the strong entangling interactions provided by Rydberg states\cite{Jaksch2000,Gaetan2009,Urban2009}, all the necessary characteristics for quantum computation are available. Here we demonstrate several quantum algorithms on a programmable gate model neutral atom quantum computer in an architecture based on individual addressing of single atoms with tightly focused optical beams scanned across a two-dimensional array of qubits. Preparation of entangled Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states\cite{Greenberger1989} with up to 6 qubits, quantum phase estimation for a chemistry problem\cite{Aspuru-Guzik2005}, and the Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA)\cite{Farhi2014} for the MaxCut graph problem are demonstrated. These results highlight the emergent capability of neutral atom qubit arrays for universal, programmable quantum computation, as well as preparation of non-classical states of use for quantum enhanced sensing.

研究の動機と目的

• 長寿命のコherencesを持つゲートモデル中性原子プラットフォームを用いて、スケーラブルで普遍的な量子計算を実現すること。
• 個別にアドレス可能な中性原子の2次元配列において、高精度なマルチキュービットエンタングルメント（GHZ状態）を達成すること。
• 量子位相推定やQAOAなどの量子アルゴリズムを、プログラマブルな中性原子プロセッサ上で実装・検証すること。
• 状態準備および測定（SPAM）誤差を特徴付け、正確に補正することで、ゲートの忠実度を正確にベンチマーク可能にする。
• トラップされた中性原子とRydberg相互作用を用いて、ネイティブゲート操作で普遍的かつ誤り訂正可能な量子計算を実現できるプラットフォームを構築すること。

提案手法

• キュービットは、3 µm間隔の2次元光格子に閉じ込められた87Rb原子のハイパーフィン構造レベルに符号化されている。
• 個別キュービットアドレス指定は、局所的RZ回転を実現する459 nmレーザービームと、原子の再配置を可能にする1064 nm光学トラップを用いて達成されている。
• 全体系のマイクロ波駆動Rϕ(θ)回転を用いて、x-y平面における単一キュービット操作が実行されている。
• 2原子ペアの同時Rydberg励起を459 nmおよび1040 nmレーザーを用いて行い、CZ（制御Z）エンタングルゲートが実装されている。
• 状態準備および測定（SPAM）誤差は、ランダム化ベンチマークと量子プロセストモグラフィーを用いて測定・補正されている。
• 回路は、全体系Rϕ(θ)、局所的RZ(θ)、CZゲートからなるユニバーサルゲートセットに分解され、忠実度最適化のためのタイミングが最適化されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プログラマブルな中性原子量子プロセッサは、高精度なマルチキュービットエンタングルメントを実現できるか？
• RQ2 個別キュービット制御が可能な中性原子プラットフォーム上で、量子位相推定やQAOAといった量子アルゴリズムを成功裏に実行できるか？
• RQ3 SPAM誤差は測定されたゲート忠実度にどのような影響を及ぼすか？ そして、それらは正確に補正可能か？
• RQ4 2次元配列におけるキュービット数および接続性の増加に伴い、CZゲートの性能はどのように変化するか？
• RQ5 このプラットフォームは、ネイティブゲート操作を用いて普遍的かつ誤り訂正可能な量子計算を実現できるか？

主な発見

• SPAM補正前の6キュービットのグリーンバーガー＝ホルン＝ツァイルラー（GHZ）状態の忠実度は92.7(1.3)%であったが、補正後は95.5%に上昇した。
• すべての接続されたキュービットペアにおける平均SPAM補正済みベル状態忠実度は92.5%であり、最適化されたペアでは最大95.5%に達した。
• 3キュービット系において量子位相推定が実証され、実行時間は390–460 µsの間で、高精度な状態再構築が達成された。
• 3および4キュービットのグラフに対して、p=1からp=3のQAOAをMaxCut問題に適用し、実行時間は最大900 µsに達した。
• 状態準備および測定（SPAM）誤差は、ベル状態の不一致度に2.2–3.1%の寄与を示し、キュービット1つあたりの平均SPAM誤差は2.5%であった。
• プラットフォームは、高精度な単一および2キュービット操作を達成しており、Rydberg励起中はトラップレーザーを停止することでデコherenceが抑制された。