Influence of fast and slow laser phase noise on the fidelity of the Mølmer-Sørensen trapped-ion gate

Om een computer te bouwen die problemen kan oplossen die buiten het bereik van de huidige machines liggen, wenden wetenschappers zich tot een technologie die gebruikmaakt van de vreemde regels van het zeer kleine. Deze kwantumcomputers vertrouwen op minuscule deeltjes, vaak atomen die op hun plaats worden gehouden door onzichtbare elektrische velden, om informatie op te slaan en te verwerken. De kracht van een dergelijke machine komt voort uit het vermogen om deze deeltjes aan elkaar te koppelen in een delicate staat van verbinding, waardoor ze als een enkele eenheid kunnen samenwerken. Deze verbinding is echter fragiel. Om de computer bruikbaar te maken, moeten wetenschappers operaties, of "gates", uitvoeren die deze deeltjes met extreme precisie manipuleren. Als de operatie zelfs maar een klein beetje afwijkt, gaat de informatie verloren. Een van de meest veelbelovende manieren om deze operaties uit te voeren, maakt gebruik van lasers om de atomen een duwtje te geven, maar de lasers zelf zijn niet perfect. Ze dragen een subtiele, constante trilling in hun timing, bekend als faseruis, wat het delicate werk van de kwantumcomputer kan verstoren.

Een team van onderzoekers heeft nu exact in kaart gebracht hoe deze laserjitter de prestaties van een specifieke, veelgebruikte kwantumbewerking genaamd de Mølmer-Sørensen-gate ruïneert. Deze gate is een favoriet onder wetenschappers die werken met gevangen ionen, omdat deze robuust is tegen temperatuurveranderingen en al een van de hoogste succespercentages in het vakgebied heeft bereikt. De onderzoekers richtten zich op de twee belangrijkste manieren waarop de imperfecties van de laser fouten veroorzaken. Ze identificeerden dat de ruis anders werkt, afhankelijk van hoe snel deze fluctueert. Er is "snelle" ruis, die rimpelt met snelheden die vergelijkbaar zijn met de vibratie van de atomen zelf, en "langzame" ruis, die drift over tijdschalen die vergelijkbaar zijn met de duur van de gate-operatie. Door een nieuwe theoretische basis te ontwikkelen, heeft het team berekend hoe deze twee soorten ruis interageren met de gate, wat een gedetailleerde gids oplevert die de foutmarge voorspelt op basis van de specifieke kenmerken van het laserlicht.

De studie laat zien dat de impact van de laserruis sterk afhangt van de snelheid van de fluctuaties ten opzichte van de timing van de gate. De snelle ruis, die voorkomt op frequenties nabij de natuurlijke vibratie van de gevangen atomen, veroorzaakt fouten door te interfereren met de primaire interactie tussen de laser en de atomen. De onderzoekers ontdekten dat dit type ruis het meest schadelijk is wanneer de frequentie overeenkomt met de specifieke afstemming van de laser die wordt gebruikt om de gate aan te sturen. Ze leidden een wiskundige beschrijving af, een filterfunctie genoemd, die werkt als een zeef en precies laat zien welke frequenties van de ruis doorlaten en schade aanrichten. Deze filterfunctie piekt scherp bij de frequentie van de detuning van de laser, wat betekent dat zelfs een kleine hoeveelheid ruis op die specifieke frequentie de kwaliteit van de gate aanzienlijk kan verlagen.

In tegen plaats werkt de langzame ruis op een veel langere tijdschaal, ongeveer de inverse van de tijd die nodig is om de gate te voltooien. Dit type ruis wordt veroorzaakt door factoren zoals thermische verschuivingen of mechanische trillingen in de apparatuur die de laser stabiel houdt. Omdat deze fluctuaties traag zijn, laten ze de atomen niet heftig schudden, maar zorgen ze er eerder voor dat de laser licht afwijkt van zijn beoogde frequentie. De onderzoekers toonden aan dat deze drift leidt tot fouten omdat de lasercomponenten, die perfect in balans zouden moeten zijn, licht uit balans raken naarmate ze de resonantie van de atomen naderen. Ze ontdekten dat voor deze langzame ruis de fout direct evenredig is aan de breedte van de frequentieverspreiding van de laser en de duur van de gate. Als de laser niet stabiel genoeg is, of als de gate te lang duurt, stapelt de fout zich op.

Een belangrijke bevinding van het werk is dat de specifieke opstelling van de laserstralen de fundamentele uitkomst voor snelle ruis niet verandert. Of de laserstralen nu in dezelfde richting of in tegenovergestelde richtingen reizen, de totale fout veroorzaakt door snelle ruis blijft hetzelfde, mits het laservermogen consistent is. Dit vereenvoudigt de technische eisen voor het bouwen van deze kwantumcomputers, aangezien het betekent dat onderzoekers zich niet zorgen hoeven te maken over de vraag of één geometrie van de stralen inherent superieur is aan de andere met betrekking tot dit specifieke type ruis. Echter, voor langzame ruis is de situatie genuanceerder. De onderzoekers maakten onderscheid tussen de fouten die worden gezien in een theoretisch "roterend kader", een wiskundig hulpmiddel dat wordt gebruikt om berekeningen te vereenvoudigen, en de fouten die worden gezien in het werkelijke laboratoriumkader waar het experiment plaatsvindt. Ze stelden vast dat voor een enkele gate of een circuit dat verschillende, ongecorreleerde laserbronnen gebruikt, de berekening in het laboratoriumkader de juiste is om te gebruiken. Maar als een lange sequentie van gates wordt uitgevoerd met dezelfde laserbron, kunnen de fouten anders worden behandeld, en wordt de berekening in het roterende kader geschikter.

Het team valideerde hun theoretische voorspellingen door ze te vergelijken met eerdere computersimulaties en stelde vast dat hun nieuwe formules de bestaande gegevens perfect matchen. Deze overeenkomst geeft hen het vertrouwen dat hun analytische expressies accuraat zijn en kunnen worden gebruikt als een betrouwbare vuistregel voor het ontwerpen van toekomstige kwantumsystemen. Ze gebruikten hun bevindingen om de strikte vereisten te berekenen waaraan een laser moet voldoen om de hoge getrouwheid te bereiken die nodig is voor foutcorrectie, de drempel waarbij kwantumcomputers een echt voordeel bieden ten opzichte van klassieke computers. Om een gate-foutmarge van één op duizend te bereiken, wat het doel is voor praktische kwantumcomputing, moet de laser een faseruisniveau hebben dat onder een specifieke drempel ligt bij de detuningfrequentie, en een lijnbreedte, of frequentieverspreiding, van minder dan twee hertz. Daarnaast mag de centrale frequentie van de laser niet meer dan 65 hertz afwijken.

Deze vereisten zijn veeleisend maar haalbaar met de huidige technologie, hoewel ze de grenzen van het mogelijke opzoeken. Het bereiken van een dergelijke stabiliteit vereist lasers die zijn gekoppeld aan extreem stabiele referenties, zoals hoogwaardige optische caviteiten, en vereist vaak het gebruik van vaststoflasers in plaats van eenvoudigere diode-lasers om inherente ruis te minimaliseren. De onderzoekers merkten ook op dat voor ruis met een zeer lage frequentie, die zich anders gedraagt dan de witte ruis die in hun vereenvoudigde schattingen werd aangenomen, de fout afhangt van de totale duur van het experiment. Dit betekent dat voor lange, ononderbroken sequenties van operaties, de laser zijn stabiliteit over de tijd moet behouden, en niet alleen op een enkel moment. Door deze duidelijke, analytische instrumenten te bieden, biedt de studie een routekaart voor ingenieurs en natuurkundigen om betere lasers te bouwen en robuustere kwantumgates te ontwerpen, waarmee het veld dichter bij de realisatie van krachtige, nuttige kwantumcomputers komt.