[论文解读] High-fidelity gates with mid-circuit erasure conversion in a metastable neutral atom qubit

Shuo Ma, Genyue Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 57被引用 6

一句话总结

该论文展示了在亚稳态 171Yb 中实现高保真度的中性原子量子比特，利用 6s6p ³P₀ 态的核自旋实现长相干时间。其单量子比特门保真度达 0.9990(1)，两量子比特门保真度达 0.980(1)，通过快速（20 μs）基态成像实现中间电路泄漏错误检测，将 56% 的单量子比特门错误和 33% 的两量子比特门错误转化为可检测的擦除错误，同时对剩余量子比特引入的错误概率低于 10⁻⁵。

ABSTRACT

The development of scalable, high-fidelity qubits is a key challenge in quantum information science. Neutral atom qubits have progressed rapidly in recent years, demonstrating programmable processors and quantum simulators with scaling to hundreds of atoms. Exploring new atomic species, such as alkaline earth atoms, or combining multiple species can provide new paths to improving coherence, control and scalability. For example, for eventual application in quantum error correction, it is advantageous to realize qubits with structured error models, such as biased Pauli errors or conversion of errors into detectable erasures. In this work, we demonstrate a new neutral atom qubit, using the nuclear spin of a long-lived metastable state in ${}^{171}$Yb. The long coherence time and fast excitation to the Rydberg state allow one- and two-qubit gates with fidelities of 0.9990(1) and 0.980(1), respectively. Importantly, a significant fraction of all gate errors result in decays out of the qubit subspace, to the ground state. By performing fast, mid-circuit detection of these errors, we convert them into erasure errors; during detection, the induced error probability on qubits remaining in the computational space is less than $10^{-5}$. This work establishes metastable ${}^{171}$Yb as a promising platform for realizing fault-tolerant quantum computing.

研究动机与目标

• 开发一种适用于容错量子计算的高保真度、可扩展的中性原子量子比特平台。
• 利用 171Yb 中 6s6p ³P₀ 态的亚稳态实现长相干时间与快速里德伯激发。
• 通过成像基态原子实现中间电路泄漏错误检测，并将其转化为擦除错误。
• 在检测过程中将残余错误最小化，以保持未受影响量子比特的量子态完整性。
• 证明大量门错误可被转化为可检测的擦除错误，从而降低容错量子误差校正的资源开销。

提出的方法

• 利用 171Yb 中 6s6p ³P₀ 亚稳态的核自旋作为量子比特自由度，实现长相干时间。
• 使用射频磁场调谐至核自旋拉莫尔频率（5.70 kHz）实现单量子比特旋转。
• 通过里德伯阻塞效应，采用快速单光子激发至里德伯态实现两量子比特纠缠门。
• 通过在里德伯自动电离后成像基态原子，实现中间电路检测。
• 采用基于切比雪夫多项式的参数化脉冲形状以优化门保真度并支持实验调优。
• 采用结合主方程与蒙特卡罗方法的数值误差模型，模拟马尔可夫与非马尔可夫噪声源。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚稳态 171Yb 量子比特能否实现高保真度的单量子比特与两量子比特门，并具备长相干时间？
• RQ2 能否通过快速成像检测出导致量子比特泄漏出计算子空间的门错误？
• RQ3 在中间电路检测过程中，对仍处于计算空间的量子比特引入的残余错误率是多少？能否保持在 10⁻⁵ 以下？
• RQ4 总门错误中有多大比例可被转化为可检测的擦除错误？这是否能降低容错量子误差校正的资源成本？
• RQ5 两量子比特门中的主要错误来源是什么？能否通过改进激光控制加以抑制？

主要发现

• 单量子比特门保真度达到 0.9990(1)，相干时间超过一秒。
• 两量子比特门保真度测量为 0.980(1)，得益于快速单光子里德伯激发与新型门设计。
• 在 20 μs 内实现中间电路泄漏错误检测，将 56% 的单量子比特门错误与 33% 的两量子比特门错误转化为可检测的擦除错误。
• 在检测过程中，对仍处于计算空间的量子比特引入错误的概率低于 10⁻⁵。
• 数值建模识别出主要错误源为里德伯衰变（4×10⁻³）、多普勒频移（5×10⁻³）、激光相位噪声（2×10⁻³）与脉冲形状不完美（2×10⁻³）。
• 模型预测 60% 的错误为泄漏错误，与考虑 50% 里德伯衰变检测效率后的观测擦除比例 33% 一致。