[论文解读] Native qudit entanglement in a trapped ion quantum processor

Pavel Hrmo, Benjamin Wilhelm+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 8

一句话总结

该论文通过广义光移门机制，在俘获离子量子处理器中实现了本征的两-qudit 纠缠门，单次门操作即可实现高达 $ d = 5 $ 的 qudit 维度的最大纠缠。该门的校准开销与 qudit 维度无关，从而在降低实验复杂性的同时，实现了可扩展的 qudit 量子计算与高保真度的纠缠态制备。

ABSTRACT

Quantum information carriers, just like most physical systems, naturally occupy high-dimensional Hilbert spaces. Instead of restricting them to a two-level subspace, these high-dimensional (qudit) quantum systems are emerging as a powerful resource for the next generation of quantum processors. Yet harnessing the potential of these systems requires efficient ways of generating the desired interaction between them. Here, we experimentally demonstrate an implementation of a native two-qudit entangling gate in a trapped-ion qudit system up to dimension $5$. This is achieved by generalizing a recently proposed light-shift gate mechanism to generate genuine qudit entanglement in a single application of the gate. The gate seamlessly adapts to the local dimension of the system with a calibration overhead that is independent of the dimension.

研究动机与目标

• 开发一种本征的两-qudit 纠缠门，可在单次门操作中生成真正的 qudit 量子纠缠，避免重复的量子比特纠缠操作。
• 通过使门校准与 qudit 维度无关，降低高维 qudit 系统中的校准开销。
• 通过充分利用俘获离子的完整希尔伯特空间，实现可扩展、高保真度的 qudit 量子信息处理。
• 表征并缓解限制高维 qudit 系统门保真度的主要噪声源。
• 证明 qudit 量子纠缠超越量子比特纠缠的度量，确认真正的高维量子纠缠。

提出的方法

• 该门利用 $ ^4\text{S}_{1/2} \leftrightarrow \, ^4\text{D}_{5/2} $ 转移在 $ ^{40}\text{Ca}^+ $ 离子中产生的状态依赖光学偶极力，通过差异光移实现。
• 通过远失谐激光施加单个对称光移门，诱导与内部 qudit 状态相关的几何相位移。
• 将门机制推广至同时作用于所有 qudit 能级，保持对称性并实现维度无关的校准。
• 对每个 $ \ket{S} \leftrightarrow \ket{D} $ 转移对施加局部操作，通过解析缩放激光功率以保持门对称性。
• 通过使用独立测量的误差参数（包括运动退相干和技术噪声）的数值误差模型，表征噪声源。
• 利用 Schmidt 数、concurrence 和纠缠熵验证纠缠，将保真度与纠缠度量与理想最大纠缠态进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个本征 qudit 门是否可在无需重复量子比特纠缠操作的情况下，在所有 qudit 能级上生成最大纠缠？
• RQ2 门的校准开销是否随 qudit 维度增加而增长，还是可实现维度无关？
• RQ3 限制高维 qudit 系统门保真度的主要噪声源是什么？
• RQ4 所生成态的 concurrence 和 Schmidt 数是否可超过任何量子比特纠缠态的最大值？
• RQ5 该门是否可推广以优化 d>4 维度下的纠缠生成？

主要发现

• 该门在 qudit 维度 $ d = 2, 3, 4, 5 $ 下均实现了最大 Schmidt 数纠缠，证实了真正的 qudit 量子纠缠。
• 对于 $ d = 2, 3, 4 $，测得的 concurrence 超过了任何量子比特纠缠态可能的最大值，表明实现了高维量子纠缠。
• 对于 $ d = 2 $，门保真度受限于运动相干时间；而对于 $ d = 4, 5 $，则受限于导致局部操作退相干的慢频率噪声。
• 实验数据与使用独立测量误差源的数值误差模型高度吻合，验证了噪声表征的可靠性。
• 校准开销与 qudit 维度无关，因为每增加一个能级仅需额外一次局部操作和激光功率调节。
• 对于 $ d = 4 $ 和 $ d = 5 $，concurrence 未超过 $ d = 3 $ 的最大可能值，表明在更高维度下生成最大纠缠的难度逐渐增加。