[论文解读] Closed-loop optimization of fast trapped-ion shuttling with sub-quanta excitation

Jonathan David Sterk, Henry Coakley+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 46被引用 24

一句话总结

本文提出了一种用于在分段保罗阱中实现快速、低激发离子穿梭的电压波形闭环优化方法。通过结合侧带光谱和Nelder–Mead优化器，基于实验反馈迭代优化波形，该方法在0.5根电极/µs（35 m/s）的三电极传输过程中实现了0.36 ± 0.08个振动激发量子，且子量子级性能与轴向运动相位无关。

ABSTRACT

Shuttling ions at high speed and with low motional excitation is essential for realizing fast and high-fidelity algorithms in many trapped-ion based quantum computing architectures. Achieving such performance is challenging due to the sensitivity of an ion to electric fields and the unknown and imperfect environmental and control variables that create them. Here we implement a closed-loop optimization of the voltage waveforms that control the trajectory and axial frequency of an ion during transport in order to minimize the final motional excitation. The resulting waveforms realize fast round-trip transport of a trapped ion across multiple electrodes at speeds of $0.5$ electrodes/$\mu$s ($35 ext{m/s}$) with a maximum of $0.36\pm0.08$ quanta gain. This sub-quanta gain is independent of the phase of the secular motion at the distal location, obviating the need for an electric field impulse or time delay to eliminate the coherent motion

研究动机与目标

• 最小化在离子阱量子计算架构中快速离子穿梭过程中的振动激发。
• 克服实验中的不完美因素，如制造偏差、背景电场和波形失真，而无需依赖精确的理论模型。
• 开发一种与模型无关、由实验驱动的优化框架，以实现高保真度的离子传输。
• 实现足够快的传输速度，以支持可扩展的量子算法，同时保持相干性。
• 消除对相位锁定的电场脉冲或时间延迟以校正相干运动的需求。

提出的方法

• 采用闭环优化框架，利用实验反馈来优化离子传输的电压波形。
• 损失函数源自|0⟩↔|1⟩跃迁的积分红侧带光谱，作为平均振动激发量子的代理指标。
• 使用Nelder–Mead无导数算法，通过最小化在目标位置多个保持时间偏移下的最大损失，来优化波形。
• 波形实时合成自沿210 µm路径预计算的211组电压解，每组均保持2.5 MHz的固定轴向频率。
• 在远端位置使用可变保持时间的侧带探测，揭示了与相位相关的激发，从而实现在整个相位周期上的优化。
• 采用两阶段优化：首先使用短探测时间避免饱和，随后从收敛的初始状态开始进行更长的探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖精确物理模型的前提下，利用实验反馈优化离子传输波形？
• RQ2 在存在实验不完美因素的情况下，快速离子穿梭过程中可实现的最小振动激发量是多少？
• RQ3 能否实现与远端轴向运动相位无关的子量子激发？
• RQ4 在存在未知系统偏差的真实条件下，闭环优化与理论推导的协议相比表现如何？
• RQ5 该方法能否推广至调节其他离子阱和中性原子系统中的量子控制协议？

主要发现

• 在0.5根电极/µs（35 m/s）的三电极传输过程中，优化波形实现的最大振动激发为0.36 ± 0.08个量子。
• 子量子激发与远端位置轴向运动的相位无关，从而消除了对相位校正脉冲或时间延迟的需求。
• 优化在150次函数评估后收敛，损失函数对进一步改进不再敏感。
• 该方法成功补偿了制造偏差、背景电场和波形滤波效应等实验不完美因素。
• 使用侧带积分损失作为振动激发的代理指标，实现了快速、可靠且可量化的优化反馈。
• 该方法具有通用性，可推广应用于离子阱、中性原子及原子干涉仪平台中的其他量子控制协议的调优。