基於鐿-171 原子核自旋量子位元之高保真度通用量子閘

核心概念

本研究展示了以雷射囚禁鐿-171 原子陣列為基礎，利用其基態核自旋作為量子位元，實現高保真度單量子位元閘和雙量子位元閘的操作。

摘要

論文資訊

• 標題：基於鐿-171 原子核自旋量子位元之高保真度通用量子閘
• 作者：J. A. Muniz 等人
• 發表單位：Atom Computing, Inc.

研究背景

• 量子計算需要高保真度的量子閘操作和大量物理量子位元。
• 光學囚禁中性原子陣列是實現量子計算的潛力平台。
• 基態核自旋量子位元具有長相干時間和對環境擾動的低敏感性，非常適合實現高保真度量子閘。

研究方法

• 使用雷射囚禁鐿-171 原子陣列，並利用其基態核自旋作為量子位元。
• 通過單獨控制的單量子位元閘操作和基於時序狀態選擇性相干激發到長壽命時鐘態和里德堡態的雙量子位元操作來實現量子態操控。
• 使用單量子位元和雙量子位元 Clifford 隨機基準測試電路以及對一對或兩對原子應用超過 200 個 CZ 閘來表徵原生閘的保真度。

研究結果

• 測量到的雙量子位元糾纏閘保真度為 99.72(3)%（包含後選擇）和 99.40(3)%（不包含後選擇）。
• 單量子位元 Clifford 隨機基準測試保真度為 99.963(2)%。
• 使用對單量子位元相位不敏感的基準測試序列（與可以使用迴波技術在成對閘之間消除此類相位的情況相關）和反對稱誤差，推斷出 CZ 閘保真度為 99.84(6)%（包含後選擇）和 99.56(5)%（不包含後選擇）。

研究意義

• 本研究展示了基於鐿-171 原子核自旋量子位元的高保真度單量子位元閘和雙量子位元閘的操作，為實現複雜的量子演算法和容錯量子計算邁出了重要一步。
• 結合先前展示的連續加載和電路中期量測技術，預計將能夠執行複雜的量子糾錯電路。

未來展望

• 將所展示的方法應用於具有任意連接性的更大陣列。
• 進一步研究複雜的里德堡態流形，以提高量子閘保真度。
• 結合高效的邏輯量子位元編碼和單次容錯方案，以實現實用的量子計算。

統計資料

雙量子位元糾纏閘保真度：99.72(3)%（包含後選擇）和 99.40(3)%（不包含後選擇）
單量子位元 Clifford 隨機基準測試保真度：99.963(2)%
CZ 閘保真度（對單量子位元相位不敏感的基準測試序列）：99.84(6)%（包含後選擇）和 99.56(5)%（不包含後選擇）
原子對損失率：每個 CZ 閘 0.12(1)%

引述

"Error-corrected quantum computation requires the ability to perform high-fidelity gate operations and read-out on large numbers of physical qubits."
"These results represent important milestones towards executing complex and general quantum computation with neutral atoms."

從以下內容提煉的關鍵洞見

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

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

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

深入探究

如何進一步提高基於中性原子的量子閘保真度，以滿足容錯量子計算的需求？

基於中性原子的量子閘保真度已達到很高的水平，但要實現容錯量子計算，仍需進一步提升。以下是一些潛在的改進方向：
1. 降低雷射噪聲：

時鐘雷射頻率噪聲： 時鐘雷射的頻率噪聲會導致量子態的退相干，進而影響閘保真度。採用更先進的雷射穩定技術，例如更低噪聲的雷射源和更精密的鎖定迴路，可以有效降低時鐘雷射頻率噪聲。
雷射強度噪聲： 雷射強度噪聲會導致量子閘操作中的脈衝面積誤差。通過主動穩定雷射強度或採用對強度噪聲不敏感的複合脈衝技術，可以減輕強度噪聲的影響。
2. 優化雷射冷卻和囚禁：

更低的原子溫度： 原子溫度會影響量子閘操作的保真度，特別是在涉及窄線寬躍遷的情況下。採用更有效的冷卻技術，例如更優化的灰光學黏膠冷卻參數或更深的光阱，可以降低原子溫度，提高閘保真度。
更穩定的囚禁電位： 囚禁電位的波動會導致量子態的退相干。通過改善光阱的穩定性，例如降低光強度的噪聲和光束指向的漂移，可以提高囚禁電位的穩定性，進而提高閘保真度。
3. 探索更優化的量子閘方案：

更快的量子閘操作： 更快的量子閘操作可以減少量子態與環境相互作用的時間，從而降低退相干的影響。可以通過提高雷射強度或採用更優化的脈衝整形技術來實現更快的量子閘操作。
對環境噪聲更不敏感的量子閘： 可以通過設計對特定噪聲源不敏感的量子閘方案來提高閘保真度。例如，可以採用動力學解耦技術來抑制磁場噪聲的影響。
4. 提高量子態的讀出效率：

更高的量子態鑑別率： 更高的量子態鑑別率可以減少量子態讀出的誤差。可以通過優化量子態讀出的光學系統和探測器來提高量子態鑑別率。
更低的量子態讀出損失： 量子態讀出過程中的原子損失會降低量子計算的效率。可以通過優化量子態讀出的雷射參數和囚禁電位來降低原子損失。
通過以上改進措施，可以進一步提高基於中性原子的量子閘保真度，為實現容錯量子計算奠定堅實基礎。

相較於其他量子計算平台，例如超導量子位元或離子阱，基於中性原子的量子計算的優缺點是什麼？

每個量子計算平台都有其優缺點，基於中性原子的量子計算也不例外。以下將其與超導量子位元和離子阱進行比較：

特性
中性原子
超導量子位元
離子阱

相干時間
長
中等
長

閘保真度
高
高
高

可擴展性
中等
高
中等

量子位元控制
並行/局部
局部
局部

製造成本
高
中等
高

優點：

長相干時間： 中性原子具有極長的相干時間，這對於執行複雜的量子算法至關重要。
高閘保真度： 中性原子量子閘的保真度已達到很高的水平，可以滿足容錯量子計算的需求。
量子位元控制靈活性： 中性原子量子位元可以通過雷射實現並行或局部控制，這為量子算法的設計提供了更大的靈活性。
缺點：

可擴展性： 目前，基於中性原子的量子計算機的量子位元數量仍然有限，擴展到更大規模的量子計算機仍然是一個挑戰。
製造成本： 中性原子量子計算機的製造成本相對較高，這限制了其商業化應用。
與超導量子位元相比：

中性原子具有更長的相干時間，但可擴展性較低。
中性原子和超導量子位元都具有很高的閘保真度。
中性原子量子位元可以實現並行控制，而超導量子位元只能實現局部控制。
與離子阱相比：

中性原子和離子阱都具有長相干時間。
中性原子和離子阱量子閘的保真度都很高。
中性原子量子位元可以實現並行控制，而離子阱量子位元只能實現局部控制。
總體而言，基於中性原子的量子計算是一個很有前途的量子計算平台，具有長相干時間和高閘保真度的優勢。然而，其可擴展性和製造成本仍然是需要克服的挑戰。

量子計算的發展將如何影響人工智慧、藥物研發和材料科學等領域？

量子計算的發展將對許多領域產生深遠影響，包括人工智慧、藥物研發和材料科學：
1. 人工智慧：

加速機器學習： 量子計算可以加速許多機器學習算法，例如深度學習，從而提高人工智慧系統的性能。
開發新的機器學習算法： 量子計算可以啟發新的機器學習算法，這些算法在經典計算機上無法實現。
解決複雜的優化問題： 量子計算可以有效地解決許多人工智慧領域的複雜優化問題，例如組合優化和約束滿足問題。
2. 藥物研發：

加速藥物發現： 量子計算可以模擬複雜的分子相互作用，從而加速新藥的發現和篩選。
設計個性化藥物： 量子計算可以根據患者的基因組信息設計個性化藥物，提高藥物療效並減少副作用。
優化藥物生產流程： 量子計算可以優化藥物生產流程，降低成本並提高效率。
3. 材料科學：

設計新型材料： 量子計算可以模擬材料的電子結構和性質，從而設計具有特定性能的新型材料，例如高溫超導材料和高效太陽能電池材料。
優化材料性能： 量子計算可以優化現有材料的性能，例如提高材料的強度、韌性和耐腐蝕性。
加速材料發現： 量子計算可以加速新材料的發現和篩選，縮短材料研發周期。
總之，量子計算的發展將為人工智慧、藥物研發和材料科學等領域帶來革命性的變化，推動這些領域的快速發展。