[论文解读] Demonstration of multi-qubit entanglement and algorithms on a programmable neutral atom quantum computer

Trent Graham, Yipu Song+23 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

该论文展示了在基于微波与激光控制的Rydberg介导量子纠缠门的2D阵列中，通过单个可寻址的量子比特，在门模型中性原子量子处理器上实现通用、可编程的量子计算。作者实现了高达6个量子比特的高保真度多量子比特纠缠，并成功执行了包括GHZ态制备、量子相估计和MaxCut的QAOA在内的量子算法，SPAM校正后的贝尔态保真度达到95.5%。

ABSTRACT

Gate model quantum computers promise to solve currently intractable computational problems if they can be operated at scale with long coherence times and high fidelity logic. Neutral atom hyperfine qubits provide inherent scalability due to their identical characteristics, long coherence times, and ability to be trapped in dense multi-dimensional arrays\cite{Saffman2010}. Combined with the strong entangling interactions provided by Rydberg states\cite{Jaksch2000,Gaetan2009,Urban2009}, all the necessary characteristics for quantum computation are available. Here we demonstrate several quantum algorithms on a programmable gate model neutral atom quantum computer in an architecture based on individual addressing of single atoms with tightly focused optical beams scanned across a two-dimensional array of qubits. Preparation of entangled Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states\cite{Greenberger1989} with up to 6 qubits, quantum phase estimation for a chemistry problem\cite{Aspuru-Guzik2005}, and the Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA)\cite{Farhi2014} for the MaxCut graph problem are demonstrated. These results highlight the emergent capability of neutral atom qubit arrays for universal, programmable quantum computation, as well as preparation of non-classical states of use for quantum enhanced sensing.

研究动机与目标

• 展示使用具有长相干时间的门模型中性原子平台实现可扩展、通用的量子计算。
• 在可单独寻址的中性原子2D阵列中实现高保真度多量子比特纠缠（GHZ态）。
• 在可编程中性原子处理器上实现并验证量子算法，如量子相估计和QAOA。
• 表征并校正制备和测量（SPAM）误差，以实现对门保真度的准确基准测试。
• 建立一个能够使用Rydberg相互作用实现通用、可纠错量子计算的平台，基于捕获的中性原子。

提出的方法

• 量子比特编码在间距为3 µm的2D光晶格中捕获的87Rb原子的超精细能级上。
• 通过聚焦紧密的459 nm激光束实现单个量子比特的寻址，用于局部RZ旋转；通过1064 nm光镊实现原子重排。
• 使用全局微波驱动的Rϕ(θ)旋转实现x-y平面内的单量子比特操作。
• 通过同时使用459 nm和1040 nm激光激发两原子对的Rydberg态，实现受控-Z（CZ）量子纠缠门。
• 利用随机基准测试和量子过程层析技术量化并校正制备和测量（SPAM）误差。
• 将电路分解为通用门集：全局Rϕ(θ)、局部RZ(θ)和CZ门，并通过优化时序以提高保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 可编程中性原子量子处理器能否以高保真度实现多量子比特纠缠？
• RQ2 在具有单个量子比特控制的中性原子平台上，能否成功执行如量子相估计和QAOA等量子算法？
• RQ3 SPAM误差对测量门保真度有何影响？如何实现准确校正？
• RQ4 在2D阵列中，CZ门的性能如何随量子比特数量和连通性变化？
• RQ5 该平台能否通过原生门操作支持通用、可纠错的量子计算？

主要发现

• 在SPAM校正前，6量子比特的Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态制备保真度为92.7(1.3)%，校正后达到95.5%。
• 所有连接的量子比特对的平均SPAM校正后贝尔态保真度为92.5%，优化对的最大值为95.5%。
• 在3量子比特系统上实现了量子相估计，执行时间在390–460 µs之间，实现了高保真度态重建。
• 在3-和4量子比特图上实现了MaxCut的量子近似优化算法（QAOA），p=1至p=3，执行时间最高达900 µs。
• 制备和测量（SPAM）误差导致贝尔态保真度损失在2.2–3.1%之间，每个量子比特的平均SPAM误差为2.5%。
• 该平台实现了高保真度的单量子比特和双量子比特操作，通过在Rydberg激发期间关闭捕获激光，有效抑制了退相干。