[論文レビュー] Robust entanglement by continuous dynamical decoupling of the J-coupling interaction

Christophe H. Valahu, A. M. Lawrence+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 69被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、マイクロ波場を用いた連続的ダイナミカルデカップリング（CDD）により、磁場ノイズやキュービット周波数の揺らぎからのデ coherent を抑制することで、捕獲イオンを用いたロバストでレーザー非依存のσz⊗σzエンタングルゲートを提案する。対となる連続マイクロ波場を印加することで、デコherence-フリー部分空間が形成され、地上状態の冷却が不要な高精度なエンタングルメントが実現可能となり、運動モードの加熱が生じても、故障耐性の閾値（10−4）を超える精度を達成する。

ABSTRACT

We propose a σz⊗ σzlaser-free entangling gate which uses the intrinsic J-coupling of ions in a static magnetic gradient. Dephasing of the interaction is suppressed by means of continuous dynamical decoupling using pairs of microwave fields. The gate is virtually insensitive to common amplitude noise of the microwave fields and enables high fidelities despite qubit frequency fluctuations, while the J-coupling interaction's inherent robustness to motional decoherence is retained. Errors far below the fault-tolerant threshold can be achieved at high initial temperatures, negating the requirement of sideband cooling below the Doppler temperature. By adjusting the powers of the continuous microwave fields, the J-coupling interaction can be tuned and can be used to implement parallel entangling gates within an ion chain.

研究の動機と目的

• 一般的なノイズ源に対してロバストなスケーラブルでレーザー非依存のエンタングルゲートの開発を目的とする。
• 磁場フラクチュエーションやキュービット周波数ノイズによるデコherenceに弱いJ結合ゲートの脆弱性を解消することを目的とする。
• ドーピラー温度未満の地上状態冷却を必要としない高精度なエンタングルメントを実現することを目的とする。
• ノイズの多いNISQ時代の環境下でも、運動モードのデコherenceにロバストでありながら、故障耐性の精度を達成することを目的とする。
• 連続マイクロ波場の強度を調整することでJ結合を可変化させ、イオン鎖内で並列ゲート操作を可能とすることを目的とする。

提案手法

• 連続マイクロ波場を用いてダイナミカルデカップリングを実装し、キュービット状態のデコherence-フリー部分空間を形成する。
• 静的な磁場勾配を印加してイオン間のJ結合を誘導し、受動的でレーザー非依存のエンタングル相互作用を実現する。
• スピンと運動自由度を分離するためのポラロン変換を用い、有効ハミルトニアンを単純化する。
• 連続マイクロ波場の強度を調整することで、有効J結合強度を制御し、イオン鎖内で並列エンタングルゲートを可能とする。
• 電極電圧の揺らぎに起因する磁場ノイズをモデル化し、セクウラル周波数νzおよび勾配∂zBに従ってスケーリングすることを示す。
• 確率的ノイズモデル（オルンシュタイン・ウーレンバック過程）を用いてデコherenceをシミュレートし、現実的なノイズ条件下でのゲート精度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的ダイナミカルデカップリングは、レーザー制御を要さずにJ結合に基づくエンタングルゲートのデコherenceを抑制できるか？
• RQ2 ゲートの精度は、磁場ノイズ、キュービット周波数の揺らぎ、運動モード加熱にどのように依存するか？
• RQ3 サイドバンド冷却や地上状態準備を要さずに、故障耐性のゲート精度を達成できるか？
• RQ4 連続マイクロ波場の強度調整によって、並列ゲート操作が可能なほどJ結合相互作用をどれほど制御できるか？
• RQ5 電圧ノイズの存在下で、ゲート速度（∂zBおよびνzに依存）とデコherenceノイズ（νz−4に比例）のトレードオフはどの程度か？

主な発見

• 連続的ダイナミカルデカップリング方式により、磁場ノイズに起因するデコherenceが抑制され、クロック状態と同等のコherency時間が達成された。
• 高初期温度および運動モード加熱の下でも、精度が1−10−4を超えることが確認され、サイドバンド冷却の必要性が不要となった。
• マイクロ波ドレッシング場の振幅揺らぎに対してほとんど感度を示さず、より高いロバスト性が得られた。
• J結合強度はマイクロ波強度で制御可能であり、1本のイオン鎖内で並列エンタングルゲートを実現可能となった。
• 磁場ノイズはνz−4に比例してスケーリングするが、ゲート速度はνz−2に比例するため、低い振動周波数は精度に悪影響を及ぼす。
• パulsesダイナミカルデカップリングに比べ、キュービット周波数の揺らぎ抑制において優れた性能を示し、運動モードのデコherenceに対してもロバスト性を維持した。