イッテルビウム171原子核スピン量子ビットにおける高忠実度ユニバーサルゲート操作の実現

核心概念

イッテルビウム171原子核スピン量子ビットを用い、単一量子ビットゲートと、長寿命な時計状態とリドベルグ状態への励起に基づく2量子ビットゲートを組み合わせることで、高忠実度のユニバーサルゲートセットを実現した。

要約

イッテルビウム171原子核スピン量子ビットにおける高忠実度ユニバーサルゲート操作の実現

本稿は、Atom Computing社の研究チームによる、イッテルビウム171原子核スピン量子ビットを用いた高忠実度ユニバーサルゲートセットの実現に関する研究論文を要約したものです。

誤り訂正量子計算の実現には、多数の物理量子ビットに対して高忠実度のゲート操作と読み出しを行う必要があります。光トラップされた中性原子を用いたプラットフォームは、その高い忠実度と柔軟性から、量子コンピュータの実現に向けた有望なアーキテクチャとして注目されています。

本研究では、イッテルビウム171原子核スピン量子ビットを用い、単一量子ビットゲートと、長寿命な時計状態とリドベルグ状態への励起に基づく2量子ビットゲートを組み合わせることで、高忠実度のユニバーサルゲートセットを実現しました。
単一量子ビットゲート
単一量子ビットゲートは、ラマンビーム対を用いて実現しました。各原子に対して個別に位相と強度を制御可能なラマンビームを照射することで、並列処理と高精度な制御を実現しました。単一量子ビットゲートの忠実度は、Clifford Randomized Benchmarking (CRB)を用いて評価され、平均で99.963(2)%という高い値を達成しました。
二量子ビットゲート
二量子ビットゲートは、二段階の励起過程を経て、原子対をリドベルグ状態に選択的に励起することで実現しました。まず、時計状態|c⟩ = |3P0, mf = −1/2⟩に原子を励起し、次に紫外線レーザーを用いてリドベルグ状態|r⟩ = |65 3S1, F = 3/2, mf = −3/2⟩に励起します。この励起過程は状態選択的であり、リドベルグ遮断機構を利用することで、隣接する時計状態の原子対にのみ位相シフトを誘起し、CZゲートを実現します。
二量子ビットゲートの忠実度は、二量子ビットCRBとCZ-GERBという二つのベンチマーク手法を用いて評価されました。二量子ビットCRBでは、ランダムに生成された量子回路を用いてゲート操作を行い、初期状態への復帰確率を測定することで、平均ゲート忠実度を評価します。一方、CZ-GERBは、対称部分空間ベンチマークであり、エコーパルスを用いることで、単一量子ビット位相オフセットの影響を受けにくく、準静的ドリフトに対してよりロバストな測定が可能です。
その結果、二量子ビットCRB測定では、事後選択あり（なし）で99.40(4)% (98.93(4)%)、CZ-GERB測定では、事後選択あり（なし）で99.84(6)% (99.56(5)%)という高い忠実度を達成しました。

抽出されたキーインサイト

High-fidelity universal gates in the $^{171}$Yb ground state nuclear spin qubit

by J. A. Muniz,... 場所 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11708.pdf

深掘り質問

本研究で開発された技術は、他の種類の量子ビットを用いた量子コンピュータにも応用できるでしょうか？

本研究で開発された技術の多くは、他の量子ビットを用いた量子コンピュータにも応用可能です。特に、以下の技術は汎用性が高いと言えるでしょう。

単一量子ビットゲートの個別制御と並列化: この技術は、量子ビットの種類に依存せず、高密度化や演算の高速化に寄与します。
高忠実度な量子ゲート操作: 本研究では、忠実度99.72%のCZゲートを実現しました。この高い忠実度は、量子誤り訂正の閾値を超えており、他の量子ビットを用いた場合でも、誤り耐性量子コンピュータの実現に大きく貢献します。
堅牢な位相推定を用いたゲートキャリブレーション: この技術は、量子ゲートの精度を向上させるために広く用いられており、他の量子ビットにも適用可能です。
対称部分空間ベンチマーク: この技術は、量子ゲートの性能を評価する上で重要であり、他の量子ビットを用いた場合でも、ゲートの忠実度を正確に測定することができます。
ただし、核スピン量子ビット特有の特性を利用した技術も存在します。例えば、本研究では、核スピン状態と光学遷移を組み合わせることで、状態選択的な励起を実現しています。このような技術は、他の量子ビットに直接適用することは難しいかもしれません。

核スピン量子ビットの持つ長いコヒーレンス時間は、量子誤り訂正の実装にどのような利点をもたらすでしょうか？

核スピン量子ビットの持つ長いコヒーレンス時間は、量子誤り訂正の実装において以下の様な利点をもたらします。

誤り訂正符号の閾値条件の達成: 量子誤り訂正は、一定以上の忠実度を持つ量子ゲートと、十分に長いコヒーレンス時間を持つ量子ビットを必要とします。核スピン量子ビットは、この両方の条件を満たす可能性を秘めています。
複雑な量子誤り訂正符号の実装: 長いコヒーレンス時間によって、より多くの量子ゲート操作が可能になるため、複雑で強力な量子誤り訂正符号の実装が可能になります。
誤り耐性量子コンピュータの実現: 量子誤り訂正の実装により、誤りから保護された論理量子ビットを構築することが可能となり、誤り耐性量子コンピュータの実現へと繋がります。

中性原子を用いた量子コンピュータは、将来的にどのような分野で応用されるでしょうか？

中性原子を用いた量子コンピュータは、その高い拡張性、長いコヒーレンス時間、高精度な制御性から、将来的に以下の様な幅広い分野での応用が期待されています。

創薬: タンパク質の折り畳みシミュレーションや、新規薬剤候補の探索など、創薬プロセスにおける時間とコストの大幅な削減が期待されます。
材料科学: 新材料の発見や、既存材料の特性向上など、材料設計の革新に貢献する可能性があります。
金融モデリング: 金融市場の複雑な変動をより正確にモデル化することで、リスク管理や投資戦略の高度化に役立ちます。
暗号解読: 現行の暗号アルゴリズムを解読できる可能性があり、安全保障の分野にも大きな影響を与える可能性があります。
最適化問題: 物流、交通、製造などの分野における複雑な最適化問題を効率的に解決することで、社会システム全体の効率化に貢献します。
特に、量子化学計算や物質科学シミュレーションの分野では、従来のコンピュータでは不可能であった複雑な分子の電子状態計算や物質の特性予測が可能になることが期待されており、中性原子量子コンピュータは、これらの分野の進歩に大きく貢献する可能性を秘めています。