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通过里德堡相互作用实现囚禁离子之间的亚微秒纠缠门。

Submicrosecond entangling gate between trapped ions via Rydberg interaction.

机构信息

Department of Physics, Stockholm University, Stockholm, Sweden.

School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, Nottingham, UK.

出版信息

Nature. 2020 Apr;580(7803):345-349. doi: 10.1038/s41586-020-2152-9. Epub 2020 Apr 15.

DOI:10.1038/s41586-020-2152-9
PMID:32296191
Abstract

Generating quantum entanglement in large systems on timescales much shorter than the coherence time is key to powerful quantum simulation and computation. Trapped ions are among the most accurately controlled and best isolated quantum systems with low-error entanglement gates operated within tens of microseconds using the vibrational motion of few-ion crystals. To exceed the level of complexity tractable by classical computers the main challenge is to realize fast entanglement operations in crystals made up of many ions (large ion crystals). The strong dipole-dipole interactions in polar molecule and Rydberg atom systems allow much faster entangling gates, yet stable state-independent confinement comparable with trapped ions needs to be demonstrated in these systems. Here we combine the benefits of these approaches: we report a two-ion entangling gate with 700-nanosecond gate time that uses the strong dipolar interaction between trapped Rydberg ions, which we use to produce a Bell state with 78 per cent fidelity. The sources of gate error are identified and a total error of less than 0.2 per cent is predicted for experimentally achievable parameters. Furthermore, we predict that residual coupling to motional modes contributes an approximate gate error of 10 in a large ion crystal of 100 ions. This provides a way to speed up and scale up trapped-ion quantum computers and simulators substantially.

摘要

在比相干时间短得多的时间内生成大系统中的量子纠缠对于强大的量子模拟和计算至关重要。被困离子是最精确控制和隔离最好的量子系统之一,使用少数离子晶体的振动运动,在数十微秒内操作低错误率的纠缠门。为了超越经典计算机可处理的复杂性水平,主要挑战是在由许多离子(大离子晶体)组成的晶体中实现快速纠缠操作。极性分子和里德伯原子系统中的强偶极-偶极相互作用允许更快的纠缠门,但需要在这些系统中证明与被困离子相当的稳定的与状态无关的约束。在这里,我们结合了这些方法的优势:我们报告了一种具有 700 纳秒门时间的双离子纠缠门,该门利用了被困里德伯离子之间的强偶极相互作用,我们用它来产生具有 78%保真度的贝尔态。确定了门错误的来源,并预测对于实验可实现的参数,总误差小于 0.2%。此外,我们预测,在 100 个离子的大离子晶体中,与运动模式的剩余耦合将贡献大约 10 的近似门误差。这为大大加快和扩展被困离子量子计算机和模拟器提供了一种方法。

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