[论文解读] A quantum information processor with trapped ions

Philipp Schindler, Daniel Nigg+11 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Aug 14, 2013

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 5被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于线性保罗阱中40Ca+离子的小规模离子阱量子信息处理器，展示了完整的一系列相干与非相干操作——包括初始化、酉门、测量以及错误缓解技术——实现了量子傅里叶变换与阶查找算法的高效实现。其主要贡献在于通过状态层析与经典模拟进行基准测试，实现了可扩展的量子算法，且量子比特开销减少，成功实现了80.7%的平均态保真度，用于阶查找操作。

ABSTRACT

Quantum computers hold the promise to solve certain problems exponentially faster than their classical counterparts. Trapped atomic ions are among the physical systems in which building such a computing device seems viable. In this work we present a small-scale quantum information processor based on a string of $^{40}$Ca${^+}$ ions confined in a macroscopic linear Paul trap. We review our set of operations which includes non-coherent operations allowing us to realize arbitrary Markovian processes. In order to build a larger quantum information processor it is mandatory to reduce the error rate of the available operations which is only possible if the physics of the noise processes is well understood. We identify the dominant noise sources in our system and discuss their effects on different algorithms. Finally we demonstrate how our entire set of operations can be used to facilitate the implementation of algorithms by examples of the quantum Fourier transform and the quantum order finding algorithm.

研究动机与目标

• 开发一种基于囚禁40Ca+离子的全功能小规模量子信息处理器，以实现通用量子操作。
• 识别并表征影响离子阱系统中量子比特存储与量子操作的主要噪声源。
• 使用最小量子比特寄存器实现并基准测试量子傅里叶变换与量子阶查找算法。
• 展示利用非相干操作实现任意马尔可夫过程以实现错误缓解与算法效率提升的可行性。
• 通过识别噪声源降低误差率，为可扩展的容错量子计算奠定基础。

提出的方法

• 处理器使用线性保罗阱囚禁一列40Ca+离子，其中量子比特编码在4S1/2与3D5/2态用于相干操作，而量子存储则编码在塞曼子能级中。
• 通过激光驱动的拉曼跃迁与微波场实现量子门，实现高保真度的单量子比特与双量子比特操作。
• 利用状态制备、测量与运动模式主动再冷却等非相干操作，实现任意马尔可夫过程。
• 通过电子驻留与荧光成像实现量子态检测，实现高对比度的单离子态读出。
• 通过测量初始化、门操作与测量过程中的退相干来分析噪声源，利用状态层析与经典模拟量化误差率。
• 阶查找算法通过受控置换操作实现，序列经过优化以最小化量子比特与门数，并通过实验态概率测量进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在离子阱量子处理器中实现包含非相干过程在内的通用量子操作集合？
• RQ2 在宏观线性保罗阱中，影响量子比特存储与门操作的主要噪声源是什么？
• RQ3 不同噪声源如何影响量子傅里叶变换与阶查找等量子算法的性能？
• RQ4 通过使用非相干操作与后选择，能否减少量子傅里叶变换寄存器所需的量子比特数量？
• RQ5 通过噪声表征与优化操作序列，实验误差率在多大程度上可被缓解，且算法保真度可被保持？

主要发现

• 通过状态层析测量并对比理想结果与模拟结果，阶查找算法在四次测试的置换操作中实现了80.7%的平均态保真度。
• 通过使用测量后反馈与再冷却技术，量子傅里叶变换仅需单个量子比特作为整个寄存器，显著降低了量子比特开销。
• 拉曼再冷却时间被优化至800 μs，平衡了残余运动激发与相位退相干，实现了测量后纠缠门的稳定运行。
• 主要误差源随操作序列而异：初始化与测量过程中的退相干，以及相干操控过程中的门保真度不足，被识别为主要限制因素。
• 同时使用光学与基态量子比特实现了高保真度的状态制备、测量与长寿命量子存储，增强了算法鲁棒性。
• 使用TIQC-SPICE进行的经典模拟与实验结果高度吻合，验证了模型的准确性，并支持误差分析与优化。