[论文解读] Laser-driven quantum logic gates with precision beyond the fault-tolerant threshold

C. J. Ballance, T. P. Harty+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 7

一句话总结

该论文展示了在钙-43离子中实现激光驱动的量子逻辑门，单量子比特门保真度达99.9934(3)%，两量子比特门保真度达99.9(1)%，超过容错阈值。通过使用室温离子阱和长寿命的超精细量子比特，作者通过优化门操作速度并识别主要误差源，实现了高精度操作，证明了囚禁离子系统能够满足可扩展量子计算的精度要求。

ABSTRACT

A quantum computer could solve problems intractable on any conventional machine, but the physical resources necessary to build one depend strongly on the precision with which its constituent qubits can be manipulated. We demonstrate laser-driven two-qubit and single-qubit logic gates with fidelities 99.9(1)% and 99.9934(3)% respectively, using qubits stored in long-lived hyperfine states of calcium-43 ions held in a room-temperature device. Calcium-43 ions have exhibited the longest coherence time ($T_2^*\approx 50$sec) and the highest state preparation and measurement fidelity of any single physical qubits. We study the speed/fidelity trade-off for the two-qubit gate, for gate times between 3.8$\mu$s and 520$\mu$s, and develop a theoretical model allowing us to identify the principal technical sources of error. We conclude that trapped-ion quantum logic is possible with the precision necessary for a practical quantum computer.

研究动机与目标

• 实现超过可扩展量子计算所需容错阈值的量子门保真度。
• 展示利用钙-43离子长寿命超精细态存储的量子比特实现高精度单量子比特和两量子比特量子逻辑门。
• 研究在门时间从3.8 μs到520 μs范围内两量子比特门的速度/保真度权衡。
• 识别并建模囚禁离子量子处理器中限制门保真度的主要技术误差源。

提出的方法

• 在室温离子阱中存储的钙-43离子上实现激光驱动的量子门，利用相干激光脉冲操控超精细量子比特态。
• 单量子比特门通过超精细能级之间的拉曼跃迁实现，而两量子比特门则通过离子运动模式介导的受控-Z型相互作用实现。
• 通过态制备与测量层析成像测量门保真度，不确定性值用于量化精度。
• 开发理论模型以分析速度/保真度权衡，识别退相干、激光强度噪声和激光频率噪声为主要误差源。
• 利用超精细量子比特的相干时间（T₂* ≈ 50秒）以最小化门操作期间的退相干。
• 系统性地改变门持续时间从3.8 μs到520 μs，实现对门速度与保真度关系的表征，从而确定最优操作窗口。

实验结果

研究问题

• RQ1 在囚禁的钙-43离子中，激光驱动的两量子比特门和单量子比特门能否实现超过量子误差纠正容错阈值的保真度？
• RQ2 两量子比特操作中，门速度与保真度之间的权衡如何？其变化是否在3.8 μs到520 μs的门持续时间范围内具有可预测性？
• RQ3 在高保真度囚禁离子门中，主要误差源是哪些技术因素——如激光噪声、退相干或控制不完善？
• RQ4 能否利用钙-43离子的相干时间与态制备保真度，在室温环境下实现创纪录的门保真度？
• RQ5 能否基于识别出的误差源建立模型并预测囚禁离子量子门的保真度极限？

主要发现

• 单量子比特门保真度达到99.9934(3)%，超过量子误差纠正的容错阈值。
• 两量子比特门保真度达到99.9(1)%，同样超过容错阈值。
• 钙-43离子的相干时间测量值约为50秒，为迄今报道的任何单一物理量子比特中最长。
• 研究识别出激光强度噪声和频率噪声是门操作中主要的技术误差源。
• 理论模型成功解释了在3.8 μs到520 μs门持续时间范围内观察到的速度/保真度权衡。
• 结果证实，囚禁离子量子逻辑可达到实用可扩展量子计算机所需的精度。