[论文解读] High-fidelity parallel entangling gates on a neutral atom quantum computer

Simon J. Evered, Dolev Bluvstein+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 88被引用 12

一句话总结

本论文展示了在多达 60 个中性原子量子比特上并行执行的两量子比特 CZ 门，保真度为 99.5%，利用 Rydberg 阻塞和最优控制单脉冲门，并且还实现了高保真度的三量子比特 CCZ 门。

ABSTRACT

The ability to perform entangling quantum operations with low error rates in a scalable fashion is a central element of useful quantum information processing. Neutral atom arrays have recently emerged as a promising quantum computing platform, featuring coherent control over hundreds of qubits and any-to-any gate connectivity in a flexible, dynamically reconfigurable architecture. The major outstanding challenge has been to reduce errors in entangling operations mediated through Rydberg interactions. Here we report the realization of two-qubit entangling gates with 99.5% fidelity on up to 60 atoms in parallel, surpassing the surface code threshold for error correction. Our method employs fast single-pulse gates based on optimal control, atomic dark states to reduce scattering, and improvements to Rydberg excitation and atom cooling. We benchmark fidelity using several methods based on repeated gate applications, characterize the physical error sources, and outline future improvements. Finally, we generalize our method to design entangling gates involving a higher number of qubits, which we demonstrate by realizing low-error three-qubit gates. By enabling high-fidelity operation in a scalable, highly connected system, these advances lay the groundwork for large-scale implementation of quantum algorithms, error-corrected circuits, and digital simulations.

研究动机与目标

• 提高高保真纠缠操作以作为在中性原子平台实现可扩展量子计算和纠错的前提条件。
• 实现并行、可扩展的两量子比特纠缠门，保真度超过容错阈值。
• 研究并缓解基于 Rydberg 的门中的主要误差来源，以实现更大规模的量子处理器。
• 将该方法推广到更高量级的纠缠操作（如 CCZ），并评估其性能。

提出的方法

• 使用一组单脉冲、基于 Rydberg 阻塞的 CZ 门，具有经过优化控制的相位轮廓。
• 利用原子暗态和明态在保持较大两光子 Rabi 频率的同时减少中间态散射。
• 实施 Lambda 增强的灰加 molass 冷却和改进的光泵，以降低运动与相位噪声。
• 用全局脉冲参数对门进行标定，使在大规模、缺陷较少的量子比特阵列中实现鲁棒操作。
• 通过 Bell-态层析、奇数门列和全局随机基准测试对门进行基准测试。
• 通过设计 CCZ 的时域最优相位轮廓并在三角形三元组门区进行测试，将扩展到多量子比特门。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际实验条件下， Neutral-atom 阵列中并行两量子比特纠缠门可以达到什么保真度？
• RQ2 随着系统规模增加，基于 Rydberg 的门的主要物理误差来源是什么，如何缓解？
• RQ3 同一方法是否能够在并行条件下实现高保真度的多量子比特（三及以上量子比特）门？
• RQ4 在大阵列中门性能的均匀性如何，当量子比特数增加到 60 或以上时的尺度性行为如何？
• RQ5 不同的门脉冲实现方式在保真度和可行性方面与可扩展量子电路相比如何？

主要发现

• 在多达 60 个中性原子量子比特并行操作时，两量子比特 CZ 门实现了 99.5% 的保真度。
• 单 CZ 门的 Bell 状态原始保真度达到 98.0(2)%（经 SPAM 校正的保真度约为 99.4%(未绘制)）。
• 全局随机基准测试给出参数化时域最优和光滑幅度门的 CZ 门保真度分别为 99.54(2)% 和 99.55(3)%。
• 在 60-qubit 的并行实现中，CZ 门保真度保持在 99.48(2)%，阵列内具有良好的一致性。
• 该方法可推广到三量子比特 CCZ 门，在并行的 GHZ 型测试中对 21 个量子比特达到约 97.9(2)% 的保真度，并且实现多量子比特门的速度仍高于逐步分解的实现。
• 分析将 dominant error 定位为 Rydberg 衰减、与相邻 Rydberg mJ 能级的耦合、中间态散射，以及基态–Rydberg 相位错误（T2* 约为 3 μs）。