[论文解读] Two-qubit controlled-PHASE Rydberg blockade gate protocol for neutral atoms via off-resonant modulated driving within a single pulse

Yuan Sun, Peng Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 65被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种基于Rydberg阻塞框架的高保真度、单脉冲两量子比特受控-相位门，适用于中性原子系统，通过在非共振条件下调制驱动脉冲实现。通过精确设计驱动脉冲以诱导相位累积，该协议在无需逐位地址控制或精确知晓阻塞移位的情况下，实现了对实验误差的鲁棒性操作，在包括自发辐射和激光波动在内的实际误差条件下，理论保真度超过99%。

ABSTRACT

Neutral atom array serves as an ideal platform to study the quantum logic gates, where intense efforts have been devoted to improve the two-qubit gate fidelity. We report our recent findings in constructing a different type of two-qubit controlled-PHASE quantum gate protocol with neutral atoms enabled by Rydberg blockade, which aims at both robustness and high-fidelity. It relies upon modulated driving pulse with specially tailored smooth waveform to gain appropriate phase accumulations for quantum gates. The major features include finishing gate operation within a single pulse, not necessarily requiring individual site addressing, not sensitive to the exact value of blockade shift while suppressing population leakage error and rotation error. We anticipate its fidelity to be reasonably high under realistic considerations for errors such as atomic motion, laser power fluctuation, power imbalance, spontaneous emission and so on. Moreover, we hope that such type of protocol may inspire future improvements in quantum gate designs for other categories of qubit platforms and new applications in other areas of quantum optimal control.

研究动机与目标

• 开发一种针对中性原子的两量子比特受控-相位门协议，使其对激光功率波动和原子运动等实验缺陷具有鲁棒性。
• 消除在基于Rydberg阻塞的量子门中对逐位地址控制和Rydberg阻塞移位精确值的依赖。
• 在单个连续脉冲内实现高保真度门操作，实现低于1 μs的快速门时间。
• 抑制传统Rydberg门协议中固有的布居泄漏和旋转误差。
• 探索将该协议扩展至多量子比特门的可行性，并提升其在可扩展量子计算中的鲁棒性。

提出的方法

• 该协议采用单个连续调制的非共振驱动脉冲，相干操控两个原子的基态-Rydberg跃迁。
• 通过平滑、调制的波形对脉冲进行定制，以精确控制动态相位累积，实现所需的受控-相位操作。
• 该方法依赖于Rydberg阻塞来介导量子比特之间的纠缠，而无需对Rydberg-Rydberg跃迁进行微波驱动。
• 理论分析采用蒙特卡罗波函数（MCWF）方法，模拟自发辐射和其他退相干效应。
• 通过在真实条件下模拟200,000条MCWF轨迹，数值评估其鲁棒性，包括激光功率波动和原子运动。
• 该协议对阻塞移位的确切值不敏感，从而增强了实验可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖逐位地址控制的情况下，通过单个整形脉冲实现两量子比特受控-相位门？
• RQ2 该门协议的保真度如何依赖于Rydberg自发辐射速率？在实际误差源存在下，能否保持在99%以上？
• RQ3 该门对激光功率波动、原子运动以及量子比特位点间功率不平衡的鲁棒性如何？
• RQ4 该协议是否可以在不精确知晓Rydberg阻塞移位的情况下维持高保真度？
• RQ5 是否可能在中性原子平台上通过非共振调制驱动实现亚微秒量级的高保真度门操作？

主要发现

• 在包括自发辐射、激光功率波动和原子运动在内的实际条件下，该协议的理论门保真度超过99%。
• 门误差与Rydberg衰变率呈线性关系，表明当阻塞较强时，自发辐射是理论保真度的主要限制因素。
• 只要这些扰动保持在较低水平，该方法对激光功率波动和原子运动仍具有鲁棒性。
• 该方法无需逐位地址控制或精确知晓阻塞移位，显著提升了实验可行性。
• 该门可在1 μs以内实现，支持快速操作，适用于可扩展量子计算。
• 通过200,000条MCWF轨迹的数值模拟，确认了在所考虑的参数范围内，门误差与Rydberg衰变率呈线性关系。