[论文解读] Mid-circuit measurements on a single species neutral alkali atom quantum processor

T. M. Graham, L. Phuttitarn+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 56被引用 15

一句话总结

展示通过将数据量子比特置于受保护的超精细态来实现中电路测量，同时非破坏性地测量一个辅助比特，展示可扩展性；实现高的 SPAM-校正保真度并保持数据量子比特相干。

ABSTRACT

We demonstrate mid-circuit measurements in a neutral atom array by shelving data qubits in protected hyperfine-Zeeman sub-states while non-destructively measuring an ancilla qubit. Measurement fidelity was enhanced using microwave repumping of the ancilla during the measurement. The coherence of the shelved data qubits was extended during the ancilla readout with dynamical decoupling pulses, after which the data qubits are returned to mf = 0 computational basis states. We demonstrate that the quantum state of the data qubits is well preserved up to a constant phase shift with a state preparation and measurement (SPAM) corrected process fidelity of F = 97.0(5)%. The measurement fidelity on the ancilla qubit after correction for state preparation errors is F = 94.9(8)% and F = 95.3(1.1)% for |0> and |1> qubit states, respectively. We discuss extending this technique to repetitive quantum error correction using quadrupole recooling and microwave-based quantum state resetting.

研究动机与目标

• 在单一物种中性 Cs 原子处理器中实现中电路测量的演示。
• 通过在辅助比特读取期间将数据量子比特置于超精细态来保护数据量子比特。
• 量化辅助比特读取的保真度及对数据量子比特相干性的影响。
• 展示接近容错相关水平的 SPAM 校正过程保真度，并讨论量子比特重置与错误纠正的路径。

提出的方法

• 将数据量子比特置于 f=3 的超细分态以与读取光脱耦。
• 使用荧光探测进行非破坏性、态选择性辅助比特读取。
• 在辅助比特读取期间对数据量子比特应用动态去耦（三脉冲回声序列）。
• 使用两个偶极天线的微波控制以选择性驱动置换态并管理极化。
• 辅助比特读取使用去共振、重复泵浦光及站点选择性斯塔克位移来保护辅助比特。
• 通过对数据量子比特和辅助比特读取保真度进行 Ramsey 型基准测试来量化 SPAM 校正的过程保真度。

Figure 1: a) Experimental layout for mid-circuit measurement. Atoms were trapped and cooled into a $3\times 3$ 1064-nm tweezer array. The microwave horns are each attached to 40 W amplifiers that are driven by 9.2 GHz signals. A 459-nm beam provided site-selective Stark shifts on targeted sites. Dur

实验结果

研究问题

• RQ1 在单一物种中性原子阵列中实现中电路测量是否可能而不破坏数据量子比特态？
• RQ2 在中电路测量期间，可实现的辅助比特读取保真度和保持数据量子比特相干性的保真度是多少？
• RQ3 将数据量子比特置换并执行回声去耦会如何影响数据量子比特与辅助比特的总体量子过程保真度？
• RQ4 为实现容错操作需要哪些改进（例如量子比特重置、快速旋转、重新冷却）？

主要发现

• 辅助比特读取保真度（经 SPAM 校正）在中电路测量下用于保持数据量子比特的保真度约为 97.0%。
• 经 SPAM 校正后，辅助比特对 |0> 的测量保真度约为 94.9%，对 |1> 的测量保真度约为 95.3%。
• 在中电路测量阶段的原始数据量子比特过程保真度约为 93.8%；经 SPAM 校正后的过程保真度约为 97.0%。
• 数据量子比特在辅助比特读取期间保持相干，测得的基于 Ramsey 的相移与单位相位门一致（平均过程保真度，原始约 93.8%，SPAM 校正约 97.0%）。
• 相干性保留是通过动态去耦（8 次 Hahn 回声脉冲）实现的，并通过仔细平衡读取失谐来限制加热与去相干。
• 识别出通过四极再冷却与基于微波的重置来实现可扩展的量子比特重置与重复纠错的路径。

Figure 2: Mid-circuit measurement results. a) To show that the data qubits retain coherence during the mid-circuit measurement, we prepared the atoms in $\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\ket{0}+\ket{1}\right)$ using a $\pi/2$ -microwave pulse and then performed a mid-circuit measurement on the ancilla. Afte