Qubit syndrome measurements with a high fidelity Rb-Cs Rydberg gate

Probleemstelling

Neutrale-atoomarrays hebben zich ontwikkeld tot een van de meest schaalbare platformen voor kwantumcomputing, met prestaties die vaak boven de 99% fideliteit liggen voor entanglement binnen één atoomsoort. Een cruciale uitdaging voor kwantumfoutcorrectie (QEC) is het uitvoeren van in-place metingen van hulp-qubits (ancilla's) zonder de naburige data-qubits te verstoren.

In bestaande systemen met één atoomsoort vereist het meten van een ancilla vaak extra operaties, zoals het fysiek verplaatsen van atomen naar een meetzone, of het "opslaan" (shelving) en verbergen van data-qubits om crosstalk te voorkomen. Deze extra stappen vertragen de logische cyclus en verhogen het foutenbudget voor syndroomextractie. Een oplossing zou zijn om verschillende atoomsoorten te gebruiken voor data- en ancilla-qubits, aangezien deze verschillende golflengten van licht absorberen en zo onafhankelijk kunnen worden gemanipuleerd. Echter, tot nu toe waren de entanglement-gates tussen verschillende soorten (interspecies) te onnauwkeurig (fideliteit rond de 70-73%) voor praktische toepassing in foutcorrectie.

Methodologie

Het onderzoeksteam van Infleqtion en de Universiteit van Wisconsin-Madison heeft een experimenteel platform ontwikkeld dat een array van rubidium (Rb) en cesium (Cs) atomen combineert in een geïnterleavede (wisselende) configuratie.

1. Experimentele Opstelling:

   • Atomen worden gekoeld in een 3D magneto-optische val (MOT) en geladen in een 7x7 array van optische pincetten (tweezers) met een golflengte van 1064 nm.
   • De atomen worden voorbereid in hyperfijne kloktoestanden ($|0\rangle$ en $|1\rangle$) voor zowel $^{87}$Rb als $^{133}$Cs.
   • Adiabatische koeling: Om de temperatuur te verlagen tot het microkelvin-bereik (ongeveer 3-4 µK), wordt de valdiepte langzaam verlaagd. Dit vermindert de atoombeweging, wat essentieel is voor hoge fideliteit gates, hoewel het de lokalisatie van de atomen ten opzichte van de Rydberg-stralen enigszins verslechtert.
   • Rydberg Gates: Entanglement wordt bereikt via Rydberg-blockade. Neighboring Rb- en Cs-atomen worden via twee-foton excitatie naar Rydberg-toestanden gebracht ($|63s_{1/2}\rangle$ voor Rb en $|65s_{1/2}\rangle$ voor Cs). Door de sterke interactie tussen deze toestanden wordt het mogelijk om een gecontroleerde fase (CZ) te implementeren.

2. Gate Implementatie:

   • De CZ-gate wordt gerealiseerd met een geparametriseerde, tijd-optimale Rydberg-protocol.
   • Unieke single-qubit operaties worden uitgevoerd met behulp van microgolven (voor globale rotaties) en specifieke laser-frequenties (voor lokale $R_z$-rotaties via lichtverschuiving).
   • De gate-fideliteit wordt gekarakteriseerd met SU(2) randomized benchmarking (RB), waarbij CZ-gates worden afgewisseld met willekeurige globale rotaties.

3. Foutcorrectie Demonstratie:

   • Het systeem wordt getest op zijn vermogen tot Quantum Non-Demolition (QND) metingen. Hierbij wordt de pariteit (syndroom) van data-qubits gemeten via een ancilla-qubit van een andere soort, zonder de data-qubits te vernietigen of te verstoren.
   • Er worden zowel 2-qubit als 3-qubit "plaquettes" (blokken) getest, waarbij de laatste overeenkomt met een stabilisator-meting voor oppervlaktecodes (surface codes).

Belangrijkste Bijdragen

• Doorbraak in Interspecies Fideliteit: Het team demonstreert een CZ-gate tussen Rb en Cs met een fideliteit van $F = 0.975 \pm 0.002$. Dit is een orde van grootte verbetering ten opzichte van eerdere resultaten voor heterogene atoomparen en ligt aanzienlijk boven de drempel voor oppervlaktecode-foutcorrectie.
• In-Place Syndroommeting: Voor het eerst wordt succesvol een QND-syndroommeting uitgevoerd zonder atoomtransport of extra "shelving"-operaties. Dit bewijst dat het gebruik van twee atoomsoorten een efficiëntere route biedt voor foutcorrectie.
• Gedetailleerd Foutenbudget: De auteurs hebben een uitgebreide Monte-Carlo-simulatie uitgevoerd die de experimentele resultaten nauwkeurig voorspelt. Dit model identificeert specifieke bronnen van fouten (zoals atoomtemperatuur, lokalisatie, laserstabiliteit en veldruis) en biedt een blauwdruk voor verdere verbetering.

Resultaten

• Gate Fideliteit: De gemeten CZ-fideliteit is 0.975. Dit is aanzienlijk hoger dan de eerder gerapporteerde Bell-state fideliteit van 0.69 voor Rb-Cs en de beste heterogene entanglement-gate van 0.73.
• QND Metingen:
  • Voor 2-qubit plaquettes werd een syndroommeting fideliteit ($F_{QND}$) van 0.933(12) bereikt (met Rb als target) en 0.865(17) (met Cs als target).
  • Voor 3-qubit plaquettes (een gewicht-2 pariteitscheck) werd een $F_{QND}$ van 0.865(17) gemeten.
• Coherentie: De atomen vertonen uitstekende coherentietijden ($T_1$ van 9,6 s voor Rb en 33,5 s voor Cs; $T_2^*$ van ongeveer 45 ms voor Rb en 27 ms voor Cs). Cruciaal is dat er geen statistisch significant verschil is gevonden tussen metingen van één soort en gelijktijdige metingen van beide soorten, wat aantoont dat er geen schadelijke crosstalk is.
• Simulaties: De simulaties voorspellen dat met realistische verbeteringen (zoals verdere temperatuurreductie naar 2 µK, kleinere val-diameters, en hogere laserintensiteiten) de gate-fideliteit kan worden opgevoerd tot > 0.997.

Betekenis en Toekomstperspectief

Dit werk is een mijlpaal voor de ontwikkeling van schaalbare, fouttolerante kwantumcomputers op basis van neutrale atomen.

1. Efficiëntie: Het elimineert de noodzaak voor complexe hardware voor atoomtransport of tijdelijke opslag van qubits tijdens metingen, wat de snelheid van de logische cyclus aanzienlijk verhoogt.
2. Foutcorrectie: De hoge fideliteit van de interspecies gate maakt het direct mogelijk om oppervlaktecodes (surface codes) te implementeren met een foutenbudget dat onder de theoretische drempel ligt.
3. Schaalbaarheid: De aanpak van het gebruik van verschillende atoomsoorten biedt een schaalbare architectuur voor toekomstige processoren, waarbij data- en ancilla-qubits fysiek gescheiden kunnen worden door hun atomaire identiteit in plaats van door hun positie.

Samenvattend bewijst dit artikel dat hybride atoomarrays (Rb en Cs) een krachtige en praktische route bieden naar praktische kwantumfoutcorrectie, met prestaties die direct toepasbaar zijn in de volgende generatie kwantumprocessors.