[论文解读] Demonstration of the QCCD trapped-ion quantum computer architecture

Juan Miguel Rey Pino, Joan Dreiling+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 39被引用 45

一句话总结

该论文展示了一种基于QCCD架构的全功能离子阱量子计算机，集成了可扩展的离子输运、中途测量和并行光控技术，实现了高保真度门操作和64的量子体积。该研究验证了QCCD设计作为实现大规模、高性能量子计算的可行路径，其核心是高保真度、相同的量子比特。

ABSTRACT

The trapped-ion QCCD (quantum charge-coupled device) architecture proposal lays out a blueprint for a universal quantum computer. The design begins with electrodes patterned on a two-dimensional surface configured to trap multiple arrays of ions (or ion crystals). Communication within the ion crystal network allows for the machine to be scaled while keeping the number of ions in each crystal to a small number, thereby preserving the low error rates demonstrated in trapped-ion experiments. By proposing to communicate quantum information by moving the ions through space to interact with other distant ions, the architecture creates a quantum computer endowed with full-connectivity. However, engineering this fully-connected computer introduces a host of difficulties that have precluded the architecture from being fully realized in the twenty years since its proposal. Using a Honeywell cryogenic surface trap, we report on the integration of all necessary ingredients of the QCCD architecture into a programmable trapped-ion quantum computer. Using four and six qubit circuits, the system level performance of the processor is quantified by the fidelity of a teleported CNOT gate utilizing mid-circuit measurement and a quantum volume measurement of $2^6=64$. By demonstrating that the low error rates achievable in small ion crystals can be successfully integrated with a scalable trap design, parallel optical delivery, and fast ion transport, the QCCD architecture is shown to be a viable path toward large quantum computers. Atomic ions provide perfectly identical, high-fidelity qubits. Our work shows that the QCCD architecture built around these qubits will provide high performance quantum computers, likely enabling important near-term demonstrations such as quantum error correction and quantum advantage.

研究动机与目标

• 实现长期提出的QCCD离子阱量子计算机架构，以实现可扩展的、完全连通的量子计算。
• 克服以往实现QCCD设计时在离子输运、控制和连通性方面面临的工程挑战。
• 将低错误率的量子比特与可扩展的阱结构及快速离子输运相结合，实现通用量子计算。
• 在可编程系统中展示 teleportation保真度和量子体积等关键性能指标。
• 验证QCCD架构作为实现大规模、高性能、容错量子计算机的可行路径。

提出的方法

• 采用Honeywell低温表面阱，通过光刻电极图案化，实现对多个离子晶体在二维阵列中的捕获与输运。
• 实现了在阱区之间的快速、受控离子输运，以支持长程纠缠和完全连通性。
• 采用并行光路实现对多个离子的量子比特初始化、单量子比特门操作和测量。
• 集成了中途测量功能，以实现CNOT门的量子隐形传态，这是量子纠错的关键基本操作。
• 利用可编程处理器，通过量子体积和门保真度等指标对性能进行基准测试。
• 利用原子离子量子比特固有的高保真度和一致性，确保在扩展过程中保持低错误率。

实验结果

研究问题

• RQ1 QCCD架构是否可在具有可扩展离子输运和完全连通性的离子阱系统中被完整实现？
• RQ2 在实现中途测量和离子输运的系统中，可达到的门保真度和量子体积是多少？
• RQ3 高保真度的量子比特是否可在可扩展的阱结构中保持并成功集成？
• RQ4 快速离子输运、并行光学控制与中途测量的结合是否能够实现通用量子计算？
• RQ5 QCCD设计是否能够支持近期的量子优势，如量子纠错？

主要发现

• 该系统实现了$2^6 = 64$的量子体积，证明了其具备通用量子计算能力。
• 通过中途测量成功实现了高保真度的隐形传态CNOT门，证实了先进量子控制的可行性。
• 在具有离子输运和并行光学控制的可扩展阱结构中，保持了小型离子晶体所具有的低错误率。
• 所有QCCD组件——离子输运、控制与测量——已成功集成于单一可编程处理器中。
• 结果验证了QCCD架构作为实现大规模容错量子计算机的可行且高性能路径。
• 该系统的性能支持了近期实现量子纠错和量子优势的潜力。