[논문 리뷰] Two-qubit controlled-PHASE Rydberg blockade gate protocol for neutral atoms via off-resonant modulated driving within a single pulse

Yuan Sun, Peng Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 10.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 65인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 라이드버그 블록레이드 프레임워크 내에서 공명을 벗어난 조절 주입을 사용하여, 중성 원자에 대한 고정밀도, 단일 펄스 이중 큐비트 제어-위상 게이트를 제안한다. 주입 펄스를 형태 조절하여 정밀한 위상 누적을 유도함으로써, 개별 사이트 주소 지정이나 블록레이드 이격량의 정확한 지식이 필요 없이도 강건한 게이트 작동을 달성하며, 자발적 방출 및 레이저 변동성과 같은 현실적인 오차 조건 하에서도 이론적 정밀도가 99%를 초과한다.

ABSTRACT

Neutral atom array serves as an ideal platform to study the quantum logic gates, where intense efforts have been devoted to improve the two-qubit gate fidelity. We report our recent findings in constructing a different type of two-qubit controlled-PHASE quantum gate protocol with neutral atoms enabled by Rydberg blockade, which aims at both robustness and high-fidelity. It relies upon modulated driving pulse with specially tailored smooth waveform to gain appropriate phase accumulations for quantum gates. The major features include finishing gate operation within a single pulse, not necessarily requiring individual site addressing, not sensitive to the exact value of blockade shift while suppressing population leakage error and rotation error. We anticipate its fidelity to be reasonably high under realistic considerations for errors such as atomic motion, laser power fluctuation, power imbalance, spontaneous emission and so on. Moreover, we hope that such type of protocol may inspire future improvements in quantum gate designs for other categories of qubit platforms and new applications in other areas of quantum optimal control.

연구 동기 및 목표

• 레이저 세기 변동 및 원자 운동과 같은 실험적 오차에 강건한 중성 원자용 이중 큐비트 제어-위상 게이트 프로토콜을 개발하기 위해.
• 라이드버그 블록레이드 기반 양자 게이트에서 개별 사이트 주소 지정 및 라이드버그 블록레이드 이격량의 정확한 지식이 필요 없도록 제거하기 위해.
• 단일 연속 펄스 내에서 고정밀도 게이트 작동을 달성하여 1 μs 이하의 빠른 게이트 시간을 가능하게 하기 위해.
• 기존의 라이드버그 게이트 프로토콜에 내재된 인구 유출 및 로테이션 오차를 억제하기 위해.
• 이 프로토콜을 다중 큐비트 게이트로 확장할 수 있는지 탐색하고, 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 위한 강건성 향상

제안 방법

• 프로토콜은 두 원자에서의 기본-라이드버그 전이를 조작하기 위해 단일 연속형 조절 주입 펄스를 사용한다.
• 펄스는 부드럽고 조절된 파형으로 설계되어 동적 위상 누적과 원하는 제어-위상 작동을 정밀하게 제어한다.
• 라이드버그 블록레이드를 이용해 마이크로파 주입 없이도 큐비트 간 얽힘을 유도하는 데 의존한다.
• 이론적 분석은 자발적 방출 및 기타 디코herence 효과를 시뮬레이션하기 위해 몬테카를로 웨이브함수(MCWF) 방법을 사용한다.
• 실제 조건(레이저 세기 변동 및 원자 운동 포함) 하에서 200,000개의 MCWF 궤적을 시뮬레이션하여 강건성을 수치적으로 평가한다.
• 프로토콜은 블록레이드 이격량의 정확한 값에 민감하지 않게 설계되어 있어 실험적 구현 가능성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 사이트 주소 지정이 필요 없이 단일 형태 조절 펄스 내에서 이중 큐비트 제어-위상 게이트를 실행할 수 있는가?
• RQ2 게이트의 정밀도가 라이드버그 자발적 방출률에 어떻게 의존하는가? 그리고 현실적인 오차 원천 하에서도 99% 이상을 유지할 수 있는가?
• RQ3 레이저 세기 변동, 원자 운동, 큐비트 사이트 간 세기 불균형에 대해 게이트가 얼마나 강건한가?
• RQ4 라이드버그 블록레이드 이격량의 정확한 지식이 없이도 프로토콜이 고정밀도를 유지할 수 있는가?
• RQ5 중성 원자 플랫폼에서 공명을 벗어난 조절 주입을 사용해 1μs 이하의 게이트 작동을 고정밀도로 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 실제 조건(자발적 방출, 레이저 세기 변동, 원자 운동 포함) 하에서 이론적 게이트 정밀도가 99%를 초과한다.
• 게이트 오차는 라이드버그 붕괴율에 선형적으로 비례하며, 블록레이드가 강력할 경우 자발적 방출이 이론적 정밀도의 주요 제한 요소임을 시사한다.
• 이러한 외란이 낮은 수준으로 유지될 경우, 레이저 세기 변동 및 원자 운동에 대해 강건함을 유지한다.
• 개별 사이트 주소 지정이나 블록레이드 이격량의 정확한 지식이 필요 없어 실험적 구현 가능성이 향상된다.
• 게이트는 1 μs 이내에 실행 가능하여 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 적합한 빠른 작동을 가능하게 한다.
• 200,000개의 MCWF 궤적을 사용한 수치 시뮬레이션은 고려된 파rameter 범위 내에서 게이트 오차와 라이드버그 붕괴율 간의 선형 관계를 확인한다.