레이저 잡음으로 인한 원자 큐비트 제어의 한계

npj Quantum Information 8권, 기사 번호: 72(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

레이저 시스템에 존재하는 기술적 소음은 원자 큐비트의 충실도가 높은 양자 제어를 수행하는 능력을 제한할 수 있습니다. 레이저 방사선으로 구동되는 원자 큐비트의 궁극적인 충실도 층은 여기된 에너지 수준의 자연 방출로 인해 발생합니다. 목표는 레이저 소스의 기술적 소음을 자연 방출 바닥 아래로 억제하여 더 이상 제한 요소가 되지 않도록 하는 것입니다. 제어 잡음의 스펙트럼 구조는 달성 가능한 제어 충실도에 큰 영향을 미칠 수 있는 반면, 레이저 잡음 기여에 대한 이전 연구는 잡음 크기로 제한되어 있는 것으로 나타났습니다. 여기에서는 레이저 잡음의 고유한 스펙트럼 구조를 연구하고 안정화된 레이저 소스가 원자 큐비트의 양자 제어를 위해 최적화된 시기를 결정하는 측정 기준을 소개합니다. 우리는 단순히 레이저의 선폭을 좁히는 데 필요한 것보다 훨씬 더 높은 안정화 대역폭에 대한 요구 사항을 찾았습니다. 도입된 측정법인 χ 분리 선은 자연 방출 층 아래 원자 큐비트의 양자 제어를 위한 레이저 소스의 연구 및 엔지니어링을 위한 도구를 제공합니다.

레이저는 일반적으로 광학 파장을 갖는 원자의 전자 전이로 인해 원자 시스템을 제어하는 ​​데 귀중한 도구가 되었습니다. 양자 정보 분야에 레이저를 적용하는 것은 특히 효과적이며 10-4 오류 수준에서 단일 원자 큐비트 제어가 입증되었습니다5,6. 원자 에너지 수준을 조작하기 위해 레이저 방사선을 사용하는 것은 광학 전이에 저장된 큐비트의 유한한 수명으로 인해 또는 2광자 라만 전이 중 비공진 산란으로 인해 자연 방출(SE)에 의해 근본적으로 제한됩니다. 그러나 부분적으로 큐비트 오류를 ​​지배하는 기술적 잡음 소스로 인해 SE 오류 층에서의 실험적 시연은 이루어지지 않았습니다. 낮은 오버헤드 내결함성 양자 계산을 가능하게 하기 위해 SE 플로어에 대한 기술적 오류를 이해하고 줄이는 것이 중요합니다.

주요 기술 잡음 소스 중 하나는 양자 제어를 위해 큐비트와 상호 작용하는 국부 발진기(LO)입니다. 본 논문에서는 레이저 방사선에서 파생된 LO를 고려합니다. 이전 연구에서는 큐비트 충실도를 레이저 잡음의 전체 크기에 연결했으며, LO 잡음장의 스펙트럼 구조는 위상 연구를 통해 큐비트 충실도에 결정적인 영향을 미칠 수 있음이 입증되었습니다. 마이크로파 소스의 소음13. Rydberg 여기에 대한 특정 레이저 잡음 스펙트럼의 효과도 조사되었습니다. 여기에서는 이러한 기술적 오류를 SE 바닥 이하로 줄이기 위해 레이저 방사선의 주파수 및 강도 노이즈의 스펙트럼 구조에 대한 일반적인 조건을 식별합니다. 우리는 추가적인 오류 경로로 이어질 수 있는 다른 이웃 전이가 없는 경우 큐비트 전이에 대한 레이저 노이즈의 영향에 엄격하게 초점을 맞췄습니다. 레이저 잡음의 스펙트럼 구조는 갇힌 이온의 운동 모드와 상호 작용할 수 있다는 것이 이전에 인정되었습니다.

우리는 일반적인 믿음과는 달리 LO 선폭을 줄이는 것만으로는 고충실도 큐비트 제어에 충분하지 않다는 것을 발견했습니다. 큐비트가 경험하는 유효 선폭은 LO 선폭의 간단한 FWHM(Full-Width-Half-Maximum) 측정으로 제공되는 것보다 큽니다. 이는 LO 반송파의 고주파수 측파대 잡음이 큐비트 충실도에 상당한 영향을 미칠 수 있고 안정화 기술이 제어 대역폭에서 제한되기 때문입니다.

일반적으로 사용되는 모든 원자 종 및 큐비트 유형에 걸쳐 산탄 잡음 제한 레이저 강도 잡음으로 인한 큐비트 부정성이 항상 SE 바닥 아래에 있음을 보여 주므로 레이저 주파수 잡음이 주요 고려 사항이라는 것을 알 수 있습니다. 실제로 레이저 소스는 샷 노이즈 제한이 거의 없으며 SE 바닥 아래에서 이러한 오류를 억제하기 위해 강도 노이즈 안정화 대역폭에 대한 요구 사항을 간략하게 설명합니다.