[论文解读] Robust entanglement by continuous dynamical decoupling of the J-coupling interaction

Christophe H. Valahu, A. M. Lawrence+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 69被引用 6

一句话总结

本文提出了一种无需激光的、针对捕集离子的鲁棒σz⊗σz纠缠门，利用微波场实现连续动态解耦（CDD），以抑制磁质子场噪声和量子比特频率涨落引起的退相干。通过施加微波场对，系统形成一个退相干免受子空间，即使在高初始温度下且无需基态冷却，也能实现高保真度纠缠，保真度超过容错阈值（10−4），尽管存在振动加热。

ABSTRACT

We propose a σz⊗ σzlaser-free entangling gate which uses the intrinsic J-coupling of ions in a static magnetic gradient. Dephasing of the interaction is suppressed by means of continuous dynamical decoupling using pairs of microwave fields. The gate is virtually insensitive to common amplitude noise of the microwave fields and enables high fidelities despite qubit frequency fluctuations, while the J-coupling interaction's inherent robustness to motional decoherence is retained. Errors far below the fault-tolerant threshold can be achieved at high initial temperatures, negating the requirement of sideband cooling below the Doppler temperature. By adjusting the powers of the continuous microwave fields, the J-coupling interaction can be tuned and can be used to implement parallel entangling gates within an ion chain.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、无需激光的捕集离子纠缠门，对常见噪声源具有鲁棒性。
• 解决基于J耦合的门对磁质子场波动和量子比特频率噪声引起的退相干的脆弱性。
• 在不需将温度冷却至多普勒温度以下的情况下，实现高保真度纠缠。
• 在噪声环境和NISQ时代条件下，保持对振动退相干的鲁棒性，同时实现容错保真度。
• 通过连续微波场功率调节，实现可调J耦合，支持离子链中并行门操作。

提出的方法

• 使用连续微波场实现动态解耦，为量子比特态创建退相干免受子空间。
• 施加静态磁质子场梯度以在离子间诱导J耦合，实现被动的、无需激光的纠缠相互作用。
• 采用Polaron变换将自旋自由度与振动自由度解耦，简化有效哈密顿量。
• 通过调节连续微波场的功率来控制有效J耦合强度，实现在离子链中并行纠缠门操作。
• 对电极电压波动引起的磁质子场噪声进行建模，显示其与纵向振子频率νz和梯度∂zB的标度关系。
• 使用随机噪声模型（Ornstein-Uhlenbeck过程）模拟退相干，并在真实噪声条件下评估门保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 连续动态解耦是否能在无需激光控制的情况下抑制基于J耦合的纠缠门中的退相干？
• RQ2 门保真度如何随磁质子场噪声、量子比特频率涨落和振动加热而变化？
• RQ3 是否可以在无需侧带冷却或基态制备的情况下实现容错门保真度？
• RQ4 通过连续微波场对J耦合相互作用的可调程度如何，以支持并行门操作？
• RQ5 在电压噪声存在下，门速度（由∂zB和νz决定）与退相干噪声（标度为νz−4）之间的权衡如何？

主要发现

• 连续动态解耦方案有效抑制了磁质子场噪声引起的退相干，实现的相干时间与钟态相当。
• 即使在高初始温度和振动加热条件下，保真度仍超过1−10−4，无需侧带冷却。
• 该门对微波编织场的幅度波动几乎不敏感，显著增强了鲁棒性。
• 通过微波功率可调J耦合强度，实现在单个离子链中并行纠缠门操作。
• 磁质子场噪声标度为νz−4，但门速度标度为νz−2，因此较低的振动频率对保真度不利。
• 该方案在抑制量子比特频率波动方面优于脉冲动态解耦，并保持对振动退相干的鲁棒性。