[论文解读] High-Fidelity Bell-State Preparation with $^{40}$Ca$^+$ Optical Qubits

Craig Robert Clark, Holly N. Tinkey+11 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用 10

一句话总结

该论文展示了一种在表面电极离子阱中利用 $^{40}$Ca$^+$ 光学生 qubit 实现的高保真度纠缠门，采用波长为 532 nm 的激光实现光学跃迁偶极力（OTDF）门方案。该方法在 35.2 μs 内实现了 0.9994(3) 的贝尔态保真度，本征光子散射误差被抑制至约 1×10⁻⁵，标志着离子阱量子计算保真度与门操作速度的重大进展。

ABSTRACT

Entanglement generation in trapped-ion systems has relied thus far on two distinct but related geometric phase gate techniques: Mølmer-Sørensen and light-shift gates. We recently proposed a variant of the light-shift scheme where the qubit levels are separated by an optical frequency [B. C. Sawyer and K. R. Brown, Phys. Rev. A 103, 022427 (2021)PLRAAN2469-992610.1103/PhysRevA.103.022427]. Here we report an experimental demonstration of this entangling gate using a pair of ^{40}Ca^{+} ions in a cryogenic surface-electrode ion trap and a commercial, high-power, 532 nm Nd:YAG laser. Generating a Bell state in 35 μs, we directly measure an infidelity of 6(3)×10^{-4} without subtraction of experimental errors. The 532 nm gate laser wavelength suppresses intrinsic photon scattering error to ∼1×10^{-5}.

研究动机与目标

• 展示在表面电极离子阱中利用光学 qubit 实现高保真度两比特纠缠门。
• 通过使用远失谐的 532 nm 门激光，降低离子阱中纠缠制备的本征退相干与光子散射误差。
• 验证光学跃迁偶极力（OTDF）门方案作为传统 Mølmer-Sørensen 与光移位门的可扩展且鲁棒的替代方案。
• 在无需后处理误差校正的情况下，实现接近容错量子计算所需阈值的门保真度。
• 通过径向模式耦合，实现与多组分离子链及更长离子链的未来集成。

提出的方法

• OTDF 门利用波长为 532 nm 的激光，远偏离原子共振能级，通过偶极力在量子比特态之间诱导几何相位移，避免直接激发。
• 量子比特态定义为 $|\uparrow\rangle = {}^2D_{5/2}(m_j=3/2)$ 和 $|\downarrow\rangle = {}^2S_{1/2}(m_j=1/2)$，支持可见光波段操作。
• 应用 Hahn 自旋回声序列以缓解磁场波动与激光相位噪声引起的退相位。
• 1-量子比特操作通过锁定至超高精细度腔的 729 nm 钛宝石激光器实现，以实现精确控制。
• 通过单量子比特旋转序列与受控相位操作后进行态探测，利用保真度分析测量贝尔态保真度。
• 通过实验数据的自助重采样方法量化统计不确定性，以估计保真度与布居数测量的置信区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用 532 nm 远失谐激光在 $^{40}$Ca$^+$ 光学生 qubit 中实现高保真度两比特纠缠门，且光子散射与退相干效应可忽略？
• RQ2 OTDF 门中导致保真度下降的主要因素是什么？其与自发辐射和亚稳态衰变等本征误差相比如何？
• RQ3 729 nm 激光系统的相位与强度稳定性在多大程度上限制了门保真度？其与实测性能相比如何？
• RQ4 OTDF 门能否在低温运行的表面电极阱中实现，以减少异常加热并延长离子寿命？
• RQ5 与其它几何相位门相比，OTDF 门在速度、误差预算及多组分离子可扩展性方面表现如何？

主要发现

• 通过直接保真度分析，实验实现了 0.9994(3) 的贝尔态保真度，保真度缺陷为 6(3)×10⁻⁴，且未进行后处理误差校正。
• 532 nm 门激光将本征光子散射误差抑制至 ~1×10⁻⁵，显著低于容错量子计算所需的 10⁻⁴ 阈值。
• 保真度缺陷的最大贡献来自 1-量子比特门误差（四个脉冲），粗略估计约为 ~8×10⁻⁴，但实际影响较低，且在考虑其他误差源后被进一步限制。
• 自发光子散射与亚稳态 $D_{5/2}$ 衰变共同贡献的误差约为 ~7×10⁻⁵，表明本征退相干极低。
• 由自旋退相位引起的总保真度缺陷（包括激光与磁场噪声）上限为 <4.1×10⁻⁴，表明激光稳定性是未来改进的主要目标。
• 门操作时间为 35.2 μs，展示了与高速量子逻辑操作兼容的快速纠缠生成能力。