[논문 리뷰] Demonstration of the QCCD trapped-ion quantum computer architecture

Juan Miguel Rey Pino, Joan Dreiling외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 03.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 39인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 QCCD 아키텍처에 기반한 완전 기능성의 트랩 이온 양자 컴퓨터를 구현하여, 확장 가능한 이온 이송, 중회로 측정, 병렬 광학 제어를 통합함으로써 고정밀 게이트와 양자 볼륨 64를 달성하였다. 이는 고정밀도이자 동일한 큐비트를 사용하는 QCCD 설계가 대규모 고성능 양자 컴퓨팅을 햖을 수 있는 실현 가능한 길임을 입증한다.

ABSTRACT

The trapped-ion QCCD (quantum charge-coupled device) architecture proposal lays out a blueprint for a universal quantum computer. The design begins with electrodes patterned on a two-dimensional surface configured to trap multiple arrays of ions (or ion crystals). Communication within the ion crystal network allows for the machine to be scaled while keeping the number of ions in each crystal to a small number, thereby preserving the low error rates demonstrated in trapped-ion experiments. By proposing to communicate quantum information by moving the ions through space to interact with other distant ions, the architecture creates a quantum computer endowed with full-connectivity. However, engineering this fully-connected computer introduces a host of difficulties that have precluded the architecture from being fully realized in the twenty years since its proposal. Using a Honeywell cryogenic surface trap, we report on the integration of all necessary ingredients of the QCCD architecture into a programmable trapped-ion quantum computer. Using four and six qubit circuits, the system level performance of the processor is quantified by the fidelity of a teleported CNOT gate utilizing mid-circuit measurement and a quantum volume measurement of $2^6=64$. By demonstrating that the low error rates achievable in small ion crystals can be successfully integrated with a scalable trap design, parallel optical delivery, and fast ion transport, the QCCD architecture is shown to be a viable path toward large quantum computers. Atomic ions provide perfectly identical, high-fidelity qubits. Our work shows that the QCCD architecture built around these qubits will provide high performance quantum computers, likely enabling important near-term demonstrations such as quantum error correction and quantum advantage.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블이고 완전히 연결된 양자 계산을 가능하게 하는 오랫동안 제안되어 온 QCCD 트랩 이온 양자 컴퓨터 아키텍처를 실현하기 위해.
• 이전에 QCCD 설계의 실현을 막아온 이온 이송, 제어, 연결성과 관련된 공학적 과제를 극복하기 위해.
• 저오류율 큐비트를 확장 가능한 트랩 아키텍처와 빠른 이온 이송과 통합하여 보편적 양자 계산을 가능하게 하기 위해.
• 프로그래밍 가능한 시스템에서 텔레포테이션 편율과 양자 볼륨과 같은 핵심 성능 지표를 시연하기 위해.
• 고성능과 오류 내성 능력을 갖춘 대규모 양자 컴퓨터를 향한 QCCD 아키텍처의 실현 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 냉각된 표면 트랩을 사용하여 2차원 배열에서 다수의 이온 결정을 트랩하고 이동시키기 위한 전극을 패턴화하였다.
• 장거리 얽힘과 완전한 연결성을 가능하게 하기 위해 트랩 영역 간에 빠르고 제어 가능한 이온 이동을 실현하였다.
• 다중 이온에 걸쳐 큐비트 초기화, 단일 큐비트 게이트, 측정을 위한 병렬 광학 공급 방식을 적용하였다.
• 양자 오류 보정을 위한 핵심 원리인 CNOT 게이트의 양자 텔레포테이션을 가능하게 하기 위해 중회로 측정을 통합하였다.
• 프로그래밍 가능한 프로세서를 사용하여 양자 볼륨과 게이트 편율 지표를 통해 성능을 벤치마킹하였다.
• 원자 이온 큐비트가 내재적으로 고정밀도이자 동일한 특성을 지닌다는 점을 활용하여 확장 과정에서도 저오류율을 유지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장 가능한 이온 이송과 완전한 연결성을 갖춘 트랩 이온 시스템에서 QCCD 아키텍처를 완전히 실현할 수 있는가?
• RQ2 중회로 측정과 이온 이송을 구현한 시스템에서 달성 가능한 게이트 편율과 양자 볼륨은 무엇인가?
• RQ3 확장 가능한 트랩 아키텍처 내에서 고정밀도 큐비트를 유지하고 통합할 수 있는가?
• RQ4 빠른 이온 이송, 병렬 광학, 중회로 측정의 조합이 보편적 양자 계산을 가능하게 하는가?
• RQ5 QCCD 설계는 근접한 시기의 양자 우월성, 예를 들어 양자 오류 보정을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 $2^6 = 64$의 양자 볼륨을 달성하여 보편적 양자 계산 능력을 입증하였다.
• 중회로 측정을 활용하여 고정밀도로 텔레포트된 CNOT 게이트를 구현함으로써 고도의 양자 제어의 실현 가능성을 확인하였다.
• 이온 이송과 병렬 광학 제어를 갖춘 확장 가능한 트랩 아키텍처에서도 소규모 이온 결정에서 관찰되는 저오류율이 유지되었다.
• 이온 이송, 제어, 측정을 포함한 QCCD의 모든 구성 요소가 하나의 프로그래밍 가능한 프로세서에서 성공적으로 통합되었다.
• 결과적으로 QCCD 아키텍처가 대규모 고신뢰성 양자 컴퓨터를 향한 실현 가능하고 고성능의 길임을 입증하였다.
• 시스템의 성능은 양자 오류 보정과 양자 우월성과 같은 근접한 시기의 시범적 구현 가능성을 뒷받침한다.