[论文解读] Scalable, high-fidelity all-electronic control of trapped-ion qubits

C. M. Löschnauer, Jacopo Mosca Toba+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用 6

一句话总结

本文展示了使用共享的交流磁驱动和局部直流调谐电極，对被困离子量子比特进行全电子、无激光控制，在七区捕获器中实现创纪录的保真度：单量子比特门的保真度为 99.99916(7)%，两量子比特纠缠门的保真度为 99.97(1)%。

ABSTRACT

The central challenge of quantum computing is implementing high-fidelity quantum gates at scale. However, many existing approaches to qubit control suffer from a scale-performance trade-off, impeding progress towards the creation of useful devices. Here, we present a vision for an electronically controlled trapped-ion quantum computer that alleviates this bottleneck. Our architecture utilizes shared current-carrying traces and local tuning electrodes in a microfabricated chip to perform quantum gates with low noise and crosstalk regardless of device size. To verify our approach, we experimentally demonstrate low-noise site-selective single- and two-qubit gates in a seven-zone ion trap that can control up to 10 qubits. We implement electronic single-qubit gates with 99.99916(7)% fidelity, and demonstrate consistent performance with low crosstalk across the device. We also electronically generate two-qubit maximally entangled states with 99.97(1)% fidelity and long-term stable performance over continuous system operation. These state-of-the-art results validate the path to directly scaling these techniques to large-scale quantum computers based on electronically controlled trapped-ion qubits.

研究动机与目标

• 以低噪声、高保真门控来推动可扩展的被困离子量子计算机。
• 提出并验证一种使用共享驱动和局部调谐以实现位点选择性操作的全电子 TIQC 架构。
• 在多区域捕获中展示最先进的单量子比特和两量子比特门的保真度。
• 展示将芯片级电子学集成到可扩展量子控制中的可行性。

提出的方法

• 使用带有共享交流电流走线的芯片来提供门控所需的全局磁场。
• 使用局部直流调谐电极来调整离子位置和局部哈密顿量，以实现位点选择性控制。
• 通过串联布线的驱动导电轨道进行门控，以实现节能的全局控制。
• 实现 Solovay-Kitaev-1 复合脉冲以减小隐藏量子比特的剩余 Rabi 误差。
• 展示可调单量子比特和两量子比特门，包括 Molmer-Sorensen-type 纠缠相互作用。
• 通过随机基线测试和奇偶振荡对门性能进行基准评估，以量化保真度和串扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 全电子、无激光的被困离子量子计算机是否能在规模化条件下提供位点选择性、高保真度的单量子比特与两量子比特门？
• RQ2 共享驱动与局部调谐策略如何影响跨多个捕获区的保真度、串扰和可扩展性？
• RQ3 电子控制门在长时间运行中的实际保真度和漂移特性如何？
• RQ4 该架构是否兼容使用既有制造工艺扩展到中型及大型被困离子量子计算机？

主要发现

• 单量子比特门在七个区域中以每个 Clifford 的保真度 99.99916(7)% 实现，且串扰很低。
• 两量子比特最大纠缠态达到 99.97(1)% 的保真度，数据采集约60小时内性能稳定。
• RB 测量显示目标量子比特误差为 8.4(7)×10^-6 per Clifford，在其他区处于激活/隐藏状态时串扰可以忽略。
• 来自共享驱动到隐藏量子比特的残留串扰测得为 1.6(8)×10^-6 per Clifford，表明离靶效应非常低。
• 纠缠门性能在保真度上保持鲁棒，日漂移约为 1×10^-4，表明日内标定策略是可行的。
• 电调谐使得可调角度的两量子比特门成为可能，并实现跨区的可扩展并行操作。