[论文解读] Quantum Gates on Individually-Addressed Atomic Qubits Subject to Noisy Transverse Motion

Marko Cetina, Laird Egan+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 15

一句话总结

本文識別出弱軸向約束所導致的軸向運動噪音為個別控制的囚禁離子量子閘中保真度的關鍵限制因素，透過離子位移與電場噪音建模其退相干效應，並提出利用共捕獲的輔助離子進行自發冷卻以抑制加熱。作者實驗證明此噪音隨鏈長增加而上升，並驗證理論模型與觀測到的加熱速率相符，進而實現可擴展離子阱量子計算系統中更高的閘保真度。

ABSTRACT

Individual trapped atomic qubits represent one of the most promising technologies to scale quantum computers, owing to their negligible idle errors and the ability to implement a full set of reconfigurable gate operations via focused optical fields. However, the fidelity of quantum gate operations can be limited by weak confinement of the atoms transverse to the laser. We present measurements of this effect by performing individually-addressed entangling gates in chains of up to 25 trapped atomic ions that are weakly confined along the chain axis. We present a model that accurately describes the observed decoherence from the residual heating of the ions caused by noisy electric fields. We propose to suppress these effects through the use of ancilla ions interspersed in the chain to sympathetically cool the qubit ions throughout a quantum circuit.

研究动机与目标

• 識別並建模因弱軸向約束導致的橫向運動噪音所引起的個別控制囚禁離子量子閘退相干效應。
• 量化殘留離子運動對長達25個離子鏈中閘保真度的影響。
• 提出解決方案——利用共捕獲的輔助離子進行自發冷卻——以抑制電場噪音引起的加熱。
• 透過測量拉比驅動波動與衰減參數演化來驗證模型。
• 透過抑制大離子鏈中運動引起的誤差，實現可擴展、高保真度的量子計算。

提出的方法

• 以軸向位移、拉比驅動曲率與正常模態中離子均方位移為函數，建模個別控制離子的時間平均拉比頻率。
• 基於電場噪音驅動軸向運動，推導退相干模型，其加熱速率與離子拉比驅動曲率平方及模式參與度成正比。
• 使用雷射脈衝整形與聚焦光束在長離子鏈中個別控制量子比特，同時追蹤閘保真度與衰減參數演化。
• 透過369-nm雷射激發引起的光子散射測量狀態制備與測量（SPAM）誤差，以修正實驗噪音。
• 使用連續電荷分佈模型模擬離子鏈，結合庫侖力與陷阱勢能，計算軸向模態頻率及其隨離子數量的變化。
• 提出共捕獲多個Yb同位素，以在整個量子電路中實現對量子比特離子的自發冷卻，減少殘留加熱。

实验结果

研究问题

• RQ1 弱軸向約束如何影響囚禁離子系統中個別控制量子閘的保真度？
• RQ2 在長離子鏈中，離子位移、電場噪音與退相干之間的定量關係為何？
• RQ3 由於軸向運動與非均勻電場噪音，加熱速率如何隨鏈中離子數量增加而變化？
• RQ4 是否能透過離子位移與電場噪音參數的組合，準確建模所觀測到的退相干？
• RQ5 輔助離子的自發冷卻在多大程度上可抑制殘留加熱，並提升大規模囚禁離子量子處理器中的閘保真度？

主要发现

• 對於15與25個離子鏈，觀測到的退相干速率比模型預測高出1.2至1.35倍，顯示鏈中存在非均勻電場引起的額外加熱。
• 在與陷阱表面成45°方向測得的徑向加熱速率為150(20)/s，與模型預測的150/s相符，驗證理論框架的正確性。
• 軸向最低模態頻率在長達250個離子的鏈中呈現N^(-0.856)的依賴性，與諧波阱預測的N^(-0.86)相符。
• 狀態制備與測量（SPAM）誤差量化為每量子比特0.17%至1.36%，並已對閘保真度估計進行修正。
• 模型預測，利用共捕獲的Yb同位素進行自發冷卻可抑制加熱，並在大規模離子阱量子計算機中維持高保真度運作。
• 實驗數據確認軸向運動噪音是個別控制離子閘操作中顯著且可擴展的限制因素，特別是在長鏈中。