[논문 리뷰] High-fidelity gates with mid-circuit erasure conversion in a metastable neutral atom qubit

Shuo Ma, Genyue Liu외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 09.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 57인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 171Yb의 고체 상태에서 장수명 공명 상태인 6s6p ³P₀ 상태의 핵 스핀을 이용해 고정밀도 중성 원자 큐비트를 구현함으로써, 장수명 공명을 달성한다. 단일 큐비트 게이트의 정밀도는 0.9990(1), 이중 큐비트 게이트의 정밀도는 0.980(1)에 도달하며, 20 μs 내로 기저 상태 영상 기반의 중회로 누출 오류 감지 기능을 통해 단일 큐비트 오류의 56%와 이중 큐비트 오류의 33%를 감지 가능한 삭제 오류로 전환한다. 이 과정에서 나머지 큐비트에 대한 오류 확률은 10⁻⁵ 이하로 유지된다.

ABSTRACT

The development of scalable, high-fidelity qubits is a key challenge in quantum information science. Neutral atom qubits have progressed rapidly in recent years, demonstrating programmable processors and quantum simulators with scaling to hundreds of atoms. Exploring new atomic species, such as alkaline earth atoms, or combining multiple species can provide new paths to improving coherence, control and scalability. For example, for eventual application in quantum error correction, it is advantageous to realize qubits with structured error models, such as biased Pauli errors or conversion of errors into detectable erasures. In this work, we demonstrate a new neutral atom qubit, using the nuclear spin of a long-lived metastable state in ${}^{171}$Yb. The long coherence time and fast excitation to the Rydberg state allow one- and two-qubit gates with fidelities of 0.9990(1) and 0.980(1), respectively. Importantly, a significant fraction of all gate errors result in decays out of the qubit subspace, to the ground state. By performing fast, mid-circuit detection of these errors, we convert them into erasure errors; during detection, the induced error probability on qubits remaining in the computational space is less than $10^{-5}$. This work establishes metastable ${}^{171}$Yb as a promising platform for realizing fault-tolerant quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도, 확장 가능한 중성 원자 큐비트 플랫폼을 개발하여 고장 내성 양자 계산에 적합하게 한다.
• 171Yb의 6s6p ³P₀ 상태를 이용해 장수명 공명 시간과 빠른 라이드버그 상태 자극을 실현한다.
• 기저 상태 원자 영상 기반으로 기저 상태로의 전환을 통해 중회로 누출 오류를 감지하고, 이를 삭제 오류로 전환한다.
• 감지 과정에서 잔류 오류를 최소화하여 손상되지 않은 큐비트의 양자 상태 무결성을 유지한다.
• 게이트 오류의 상당 부분을 감지 가능한 삭제 오류로 전환할 수 있음을 입증함으로써, 고장 내성 양자 오류 정정의 자원 비용을 줄일 수 있다.

제안 방법

• 171Yb의 6s6p ³P₀ 고체 상태에서 핵 스핀을 큐비트 자유도로 이용하여 장수명 공명을 달성한다.
• 단일 큐비트 회전을 위해 핵 스핀 라르모르 주파수(5.70 kHz)에 맞춘 RF 자기장 제어를 시행한다.
• 라이드버그 블로킹을 통해 이중 큐비트 얽힘 게이트를 실현하기 위해 단일 광자 자극을 빠르게 적용한다.
• 라이드버그 자동 이온화를 통해 고체 상태 큐비트를 기저 상태로 전환한 후, 기저 상태 원자 영상 기반으로 중회로 감지를 수행한다.
• 게이트 정밀도 최적화 및 실험적 튜닝을 위해 체비셰프 다항식 기반의 매개변수화된 펄스 형상 구현.
• 마코프 및 비마코프 노이즈 소스를 동시에 모델링하기 위해 마스터 방정식과 몬테카를로 방법을 융합한 수치적 오류 모델 구축.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 상태 171Yb 큐비트는 장수명 공명 시간과 함께 고정밀도 단일 및 이중 큐비트 게이트를 달성할 수 있는가?
• RQ2 빠른 영상 기반 감지로 계산 하위공간을 벗어난 누출 오류를 중회로 감지할 수 있는가, 그 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 중회로 감지 과정에서 손상되지 않은 큐비트에 유도되는 잔류 오류 비율은 얼마이며, 10⁻⁵ 이하로 유지될 수 있는가?
• RQ4 총 게이트 오류의 어느 정도가 감지 가능한 삭제 오류로 전환될 수 있으며, 이는 고장 내성 양자 오류 정정의 자원 비용을 줄이는 데 기여하는가?
• RQ5 이중 큐비트 게이트에서 지배적인 오류 원인은 무엇이며, 향상된 레이저 제어로 이를 억제할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 큐비트 게이트 정밀도는 0.9990(1)에 도달하며, 공명 시간은 1초 이상 초과한다.
• 이중 큐비트 게이트 정밀도는 0.980(1)로 측정되었으며, 이는 단일 광자 라이드버그 자극과 새로운 게이트 설계 덕분이다.
• 중회로 누출 오류 감지는 20 μs 이내에 수행되며, 단일 큐비트 게이트 오류의 56%와 이중 큐비트 게이트 오류의 33%를 감지 가능한 삭제 오류로 전환한다.
• 감지 과정에서 계산 하위공간에 머무는 큐비트에 오류가 발생할 확률은 10⁻⁵ 이하이다.
• 수치 모델링을 통해 라이드버그 붕괴(4×10⁻³), 도플러 이동(5×10⁻³), 레이저 위상 노이즈(2×10⁻³), 펄스 형상 왜곡(2×10⁻³) 등이 주요 오류 원인으로 규명되었다.
• 모델 예측에 따르면 오류의 60%가 누출로 발생하며, 이는 라이드버그 붕괴 감지 효율이 50%일 경우 관측된 33%의 삭제 비율과 일치한다.