[論文レビュー] Scalable, high-fidelity all-electronic control of trapped-ion qubits

C. M. Löschnauer, Jacopo Mosca Toba+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、共有AC磁場駆動と局所DCチューニング電極を用いた、全電子的・レーザー不要の閉じ込めイオン量子ビット制御を実証し、記録的な忠実度を達成した：単一量子ビットゲートは99.99916(7)%、二量子ビットのエンタングリングゲートは99.97(1)%を、七ゾーンのトラップで達成。

ABSTRACT

The central challenge of quantum computing is implementing high-fidelity quantum gates at scale. However, many existing approaches to qubit control suffer from a scale-performance trade-off, impeding progress towards the creation of useful devices. Here, we present a vision for an electronically controlled trapped-ion quantum computer that alleviates this bottleneck. Our architecture utilizes shared current-carrying traces and local tuning electrodes in a microfabricated chip to perform quantum gates with low noise and crosstalk regardless of device size. To verify our approach, we experimentally demonstrate low-noise site-selective single- and two-qubit gates in a seven-zone ion trap that can control up to 10 qubits. We implement electronic single-qubit gates with 99.99916(7)% fidelity, and demonstrate consistent performance with low crosstalk across the device. We also electronically generate two-qubit maximally entangled states with 99.97(1)% fidelity and long-term stable performance over continuous system operation. These state-of-the-art results validate the path to directly scaling these techniques to large-scale quantum computers based on electronically controlled trapped-ion qubits.

研究の動機と目的

• 低ノイズで高忠実度なゲート制御を備えた、スケーラブルな閉じ込めイオン量子コンピュータを動機付ける。
• 共有ドライブと局所チューニングを用いたサイト選択操作のための、全電子 TIQC アーキテクチャを提案・検証する。
• 多ゾーンのトラップで最先端の単一および二量子ビットゲート忠実度を実証する。
• スケーラブルな量子制御のためのチップ規模電子機器の統合の実現性を示す。）
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提案手法

• ゲートの全体磁場を供給する共有AC電流通りを持つチップを用いる。
• サイト選択制御のためのイオン位置と局所ハミルトニアンを調整する局所DCチューニング電極を使用する。
• 電力効率の良い全局制御のため、連結配線のドライブ traces でゲートを動作させる。
• 潜在的な量子ビットの残留ラビ振幅誤差を低減するためにSolovay-Kitaev-1複合パルスを実装する。
• 調整可能な単一量子ビットおよび二量子ビットゲートの両方を実証し、Molmer-Sorensen型エンタングリング相互作用を含む。
• ランダム化ベンチマーキングとパリティ振動を用いてゲート性能をベンチマークし、忠実度とクロストークを定量化する。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全電子的・レーザー不要の閉じ込めイオン量子コンピュータは、スケールでサイト選択型の高忠実度な単一量子ビットおよび二量子ビットゲートを提供できるか。
• RQ2 共有ドライブと局所チューニング戦略が、複数のトラップゾーンにまたがる忠実度、クロストーク、およびスケーラビリティにどう影響するか。
• RQ3 長時間運用における電子制御ゲートの実用的な忠実度とドリフト特性は何か。
• RQ4 確立された製造プロセスを用いた中規模・大規模な閉じ込めイオン量子コンピュータへのスケーリングとこのアーキテクチャの適合性はどうか。）

主な発見

• 単一量子ビットゲートは7ゾーンにわたって低クロストークで99.99916(7)%忠実度（Cliffordごと）を達成。
• 二量子ビットの最大エンタングル状態は99.97(1)%忠実度を達成し、約60時間のデータ取得にわたり安定した性能。
• RB測定は、Cliffordごとにターゲット量子ビット誤差が8.4(7)×10^-6、他のゾーンがアクティブ/非表示のときクロストークはほとんどないことを示す。
• 共有ドライブから隠れた量子ビットへの残留クロストークは1.6(8)×10^-6 per Cliffordと測定され、標的外影響が非常に低いことを示す。
• エンタングリングゲートの性能は忠実度あたり日次で約1×10^-4のドリフトを維持し、日内校正戦略の実現可能性を示す。
• 電気的チューニングにより、角度調整可能な二量子ビットゲートとゾーン間のスケーラブルで平行な操作が可能になる。）