[论文解读] Blueprint for a microwave ion trap quantum computer

B. Lekitsch, Sebastian Weidt+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用 10

一句话总结

本文提出一种基于硅微纳制造技术的可扩展、模块化微波离子阱量子计算机架构，通过长波长辐射和全局激光/微波场实现容错量子计算。该设计支持模块间的离子传输，可实现任意规模的系统，并可与高阈值表面码集成以实现错误校正。

ABSTRACT

and industrial community is working towards the realization of such a device. A large scale quantum computer is best constructed using a modular approach. We present the blueprint for an ion trap based scalable quantum computer module which makes it possible to create an arbitrarily large quantum computer architecture powered by long-wavelength radiation. This quantum computer module controls all operations as a stand-alone unit, is constructed using silicon microfabrication techniques and within reach of current technology. To perform the required quantum computations, the module makes use of long-wavelength-radiation quantum gate technology and relies only on a vacuum environment and global laser and microwave elds. To scale this microwave quantum computer architecture beyond one module we also present a new approach that makes use of ion transport between dierent modules, thereby allowing connections between arbitrarily many modules for a large scale architecture. A high-error-threshold surface error correction code making use of such module interactions can be implemented in the proposed architecture to execute fault-tolerant quantum logic operations. With only minor adjustments these modules are also suitable for alternative ion trap quantum computer architectures, such as schemes using photonic interconnects.

研究动机与目标

• 基于离子阱开发一种可扩展、模块化的量子计算机架构，以克服当前小规模实现的局限性。
• 通过模块间相互作用，利用高阈值表面码实现容错量子计算。
• 设计一种与现有硅微纳制造技术及真空环境兼容的自包含量子计算模块。
• 提出一种基于离子传输连接多个模块的可扩展模块间架构，以实现大规模量子计算。

提出的方法

• 利用硅微纳制造技术设计一个独立的量子计算模块，以实现集成与可扩展性。
• 通过长波长辐射（微波）和全局激光与微波场实现量子门操作，以控制离子。
• 通过在独立模块之间受控地传输离子，实现模块间的连接，从而将架构扩展至单个单元之外。
• 集成高阈值表面错误校正码，利用模块间的相互作用实现容错量子逻辑。
• 通过少量设计调整，确保与替代架构（如使用光子互连的架构）的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用现有制造技术设计一种可扩展、模块化的离子阱量子计算机？
• RQ2 长波长辐射是否能够在囚禁离子系统中实现可靠且可扩展的量子门操作？
• RQ3 在模块化离子阱架构中，如何利用表面码实现容错量子计算？
• RQ4 何种机制可实现基于离子传输的大规模量子计算的可扩展模块间连接？
• RQ5 所提出的模块设计在多大程度上可适应替代架构（如光子互连）？

主要发现

• 所提出的模块完全自包含，且与现有硅微纳制造技术兼容，具备近中期技术可行性。
• 量子操作通过全局微波和激光场实现，无需复杂的光束整形，从而实现可扩展性。
• 模块间的离子传输可实现具有任意连通性的大规模量子计算机架构。
• 该架构支持高阈值表面码，通过模块间相互作用使容错量子逻辑操作成为可能。
• 该设计可通过少量修改适配至替代架构（如使用光子互连的架构）。