[论文解读] Realizing quantum gates with optically-addressable $^{171}$Yb$^{+}$ ion qudits

M. A. Aksenov, I. V. Zalivako+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种基于光学可寻址 $^{171}$Yb$^+$ 离子的两-ququart（d=4）量子处理器，利用435.5 nm四极钟跃迁的Zeeman子能级编码qudit。该系统实现了包括单-qudit旋转和两-qudit Mølmer–Sørensen门在内的通用门集，单-qudit门的保真度为83–89%，两-qudit门的保真度为65%，激光相位噪声被确定为主要误差来源。

ABSTRACT

The use of multilevel information carriers, also known as qudits, is a promising path for exploring scalability of quantum computing devices. Here we present a proof-of-principle realization of a quantum processor register that uses optically-addressed $^{171}$Yb$^{+}$ ion qudits in a linear trap. The rich level structure of $^{171}$Yb$^{+}$ ions allows using the Zeeman sublevels of the quadrupole clock transition at 435.5 nm for efficient and robust qudit encoding. We demonstrate the realization of the universal set of gates consisting of single-qudit rotations and a two-qudit Molmer-Sorensen operation with a two-ququart system, which is formally equivalent to a universal gate-based four-qubit processor. Our results paves a way towards further studies of more efficient implementations of quantum algorithms with trapped-ion-based processors and, specifically, exploring properties of $^{171}$Yb$^{+}$ ion qudits.

研究动机与目标

• 展示一种基于多能级 $^{171}$Yb$^+$ 离子作为qudit的可扩展量子处理器架构。
• 利用435.5 nm四极跃迁中Zeeman子能级的光学寻址实现量子门的通用集合。
• 评估门保真度并识别束缚离子qudit系统中的主要误差来源。
• 为未来高保真度、大规模qudit基量子计算在束缚离子系统中奠定基础。

提出的方法

• Qudit 编码在 $^{171}$Yb$^+$ 的 $^2S_{1/2}(F=0)$ 和 $^2D_{3/2}(F=2)$ 态的Zeeman子能级上，利用435.5 nm电四极跃迁实现光学寻址。
• 通过调谐至特定Zeeman子能级跃迁的共振激光脉冲实现单-qudit旋转。
• 通过双色激光脉冲诱导两个离子之间的纠缠相互作用，实现两-qudit Mølmer–Sørensen型门。
• 通过在 $|0\rangle \to |1\rangle$ 跃迁上的离子光谱测量表征激光相位噪声，从而提取噪声功率谱密度（PSD）。
• 通过将提取的激光噪声PSD引入数值模拟，对门保真度退化进行建模与验证。
• 通过态层析和偶 parity 振荡协议实验测量门保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在直线阱中利用光学寻址的 $^{171}$Yb$^+$ 离子qudit实现通用量子门集？
• RQ2 在该qudit基束缚离子系统中，限制门保真度的主要误差来源是什么？
• RQ3 在计算能力方面，$^{171}$Yb$^+$ 离子中的qudit编码在多大程度上可模拟四量子比特处理器？
• RQ4 激光相位噪声如何影响该系统中两-qudit纠缠门的性能？
• RQ5 通过改进激光稳定性和离子温度，能否提升观测到的门保真度？

主要发现

• 该系统实现了包含单-qudit旋转和两-qudit Mølmer–Sørensen门的通用门集，证明了qudit基量子处理的可行性。
• 单-qudit门保真度在83%至89%之间，表明实现了高保真度的单-qudit操作。
• 两-qudit门保真度测量为65%，主要受限于激光相位噪声。
• 通过将实验数据与基于提取噪声PSD的数值模拟进行比较，确认激光相位噪声为主要误差来源。
• 将提取的激光噪声PSD用于模拟时，可重现65%的门保真度，验证了噪声模型的准确性。
• 结果表明，未来通过改进激光稳定性和离子温度，有望实现更高保真度的qudit操作，接近类似量子比特系统中报告的性能。