[논문 리뷰] High-Fidelity Bell-State Preparation with $^{40}$Ca$^+$ Optical Qubits

Craig Robert Clark, Holly N. Tinkey외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 12.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 표면 전극 이온 트랩 내에서 $^{40}$Ca$^+$ 광학 큐비트를 사용하여 고정밀 얽힘 게이트를 구현함을 보여주며, 532 nm 레이저를 사용한 광전이 이완력(OTDF) 게이트 기반으로 35.2 μs 내에 벨 상태 허상도 0.9994(3)를 달성한다. 이는 내재된 광자 산산조각 나기 오차를 약 1×10⁻⁵ 수준으로 억제하여, 포획된 이온 양자 컴퓨팅의 정밀도와 게이트 속도에서 중요한 도약을 이룬다.

ABSTRACT

Entanglement generation in trapped-ion systems has relied thus far on two distinct but related geometric phase gate techniques: Mølmer-Sørensen and light-shift gates. We recently proposed a variant of the light-shift scheme where the qubit levels are separated by an optical frequency [B. C. Sawyer and K. R. Brown, Phys. Rev. A 103, 022427 (2021)PLRAAN2469-992610.1103/PhysRevA.103.022427]. Here we report an experimental demonstration of this entangling gate using a pair of ^{40}Ca^{+} ions in a cryogenic surface-electrode ion trap and a commercial, high-power, 532 nm Nd:YAG laser. Generating a Bell state in 35 μs, we directly measure an infidelity of 6(3)×10^{-4} without subtraction of experimental errors. The 532 nm gate laser wavelength suppresses intrinsic photon scattering error to ∼1×10^{-5}.

연구 동기 및 목표

• 표면 전극 이온 트랩 내 광학 큐비트를 사용하여 고정밀 이중 큐비트 얽힘 게이트를 구현하는 것.
• 원거리 레이저 조명을 사용하여 532 nm 게이트 레이저를 적용함으로써 포획된 이온에서 얽힘 생성 시 내재된 분해 및 광자 산산조각 나기 오차를 감소시키는 것.
• 기존의 Mølmer-Sørensen 및 빛 이동 게이트에 비해 확장 가능하고 내구성이 뛰어난 기하학적 위상 이론 기반 OTDF 게이트 기반의 타당성을 검증하는 것.
• 후처리 오류 보정 없이도 고신뢰성 양자 컴퓨팅을 위한 임계 수준에 도달하는 게이트 정밀도를 달성하는 것.
• 반경 방향 모드 결합을 통해 다중 종류의 이온 체인 및 더 긴 이온 스트링과의 향후 통합을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• OTDF 게이트는 원자 공명에서 멀리 떨어진 532 nm 레이저를 사용하여 두 큐비트 상태 간의 기하학적 위상 이동을 유도하는 디폴트 힘을 통해 직접 자극을 피함.
• 큐비트 상태는 $|\uparrow\rangle = {}^2D_{5/2}(m_j=3/2)$ 와 $|\downarrow\rangle = {}^2S_{1/2}(m_j=1/2)$ 로 정의되어 가시광선 영역에서의 작동이 가능하다.
• 자기장 변동 및 레이저 위상 노이즈로 인한 위상 분리 현상을 완화하기 위해 하인 스피너 에코 시퀀스를 적용함.
• 1 큐비트 연산은 초고해상도 편차를 가진 고정밀 캐비티에 고정된 729 nm Ti: Sapphire 레이저를 사용하여 정밀 제어함.
• 베르트 상태 허상도는 단일 큐비트 회전과 제어 위상 연산을 거친 후 상태 검출을 수행하는 파리티 분석을 통해 측정함.
• 통계적 불확실성은 실험 데이터의 부트스트랩 재표본 추출을 통해 신뢰구간을 추정함으로써 정량화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 532 nm 원거리 레이저를 사용하여 $^{40}$Ca$^+$ 광학 큐비트에서 직접 자극 없이도 광자 산산조각 나기나 분해 현상이 심각하지 않은 고정밀 이중 큐비트 얽힘 게이트를 적용할 수 있는가?
• RQ2 OTDF 게이트에서 허상도 저하의 주요 원인은 무엇이며, 자발적 방출 및 함정 준위 붕괴와 같은 내재 오차와 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ3 729 nm 레이저 시스템의 위상 및 강도 안정성이 게이트 정밀도에 얼마나 큰 영향을 미치며, 측정된 성능와 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 냉각된 작동 조건에서 표면 전극 트랩에 OTDF 게이트를 적용하여 비정상적 가열을 감소시키고 이온 수명을 연장할 수 있는가?
• RQ5 다중 종류의 이온에 대한 확장성, 오차 예산 및 속도 측면에서 OTDF 게이트는 다른 기하학적 위상 게이트와 비교해 어떤가?

주요 결과

• 직접 파리티 분석을 통해 실험은 0.9994(3)의 벨 상태 허상도를 달성하였으며, 후처리 오류 보정 없이도 불완전도는 6(3)×10⁻⁴로 측정됨.
• 532 nm 게이트 레이저는 내재된 광자 산산조각 나기 오차를 약 ~1×10⁻⁵ 수준으로 억제하여 고신뢰성 양자 컴퓨팅을 위한 10⁻⁴ 임계 수준 이하로 크게 낮춤.
• 허상도 저하에 가장 큰 기여를 한 것은 1 큐비트 게이트 오차(4개 펄스)로 추정되며, 이는 약 ~8×10⁻⁴ 수준이지만 실제 영향은 다른 원인을 고려한 잔여 오차 이하로 제한됨.
• 자발적 광자 방출 및 함정 준위 $D_{5/2}$ 붕괴의 총합 오차는 약 ~7×10⁻⁵로 나타나 내재된 분해가 매우 낮음을 시사함.
• 스핀 위상 분리로 인한 총 불완전도(레이저 및 자기장 노이즈 포함)는 <4.1×10⁻⁴ 이하로 제한되어 있으며, 이는 향후 향상의 주요 목표로 레이저 안정성이 되어야 함을 시사함.
• 게이트 지속 시간은 35.2 μs로 측정되어 고속 양자 논리 연산과 호환되는 빠른 얽힘 생성을 가능하게 함.