Authors:	Kaushal, Vidyut
Title:	A shuttling-based trapped-ion quantum processing node
Online publication date:	14-Nov-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	Trapped atomic ions in microfabricated segmented ion traps hold the promise of realizing scalable quantum processing nodes. While significant milestones towards noisy intermediate-scale quantum computing (NISQ) have already been demonstrated in the past decade, the realization of platforms allowing for demonstration of e.g. quantum supremacy remains a formidable challenge. Scalability to large number of qubits can be achieved using a combination of trapped-ion qubits that are shuttled inside a segmented ion trap and manipulated in laser interaction zones. The focus of this thesis is the development of technological key components required for this approach, perform system integration with an existing hardware environment, and to conduct a comprehensive characterization of the system performance. In particular, we discuss the development of a modular based scalable multichannel arbitrary waveform generator (mAWG), which simultaneously updates 80 trap electrodes with programmable voltage waveforms and shapes the duration of 24 laser pulses for entangling gate operations. It has an update rate of 2.7 MSPS for each channel and voltage range of +/-40 V with the precision of 1.2 mV. Additionally, the delay between consecutive samples can be controlled in step of 20 ns - important for resolving trap oscillation period during shuttling of ions. Furthermore, using the mAWG, we present a complete trap-characterization of all motional modes, axial (x) along the trap axis and transverse (y and z) perpendicular to it, for a Ca+ ion, obtaining low heating rates, {n_bar}_{x,y,z}={9, 26.6(7), 9.2(3)}, and a long motional coherence times of τ{x,y,z}={57(9), 11.6(5), 24(1)} ms. We also realize various types of elementary qubit register configuration i.e. linear transport, separation and merging of ion crystals, and ion swapping and measure no excitation on the transverse mode induced by these axial shuttling operations, such that two qubit gates with fidelity exceeding 99.5% have been realized. This opens up a path toward NISQ realization. We also show that using this hardware, all type of shuttling operations and even can be executed in parallel at durations of less than 60 us, thus being well suited for small-scale quantum algorithms. Lastly, we discuss the prospect of scalability in this NISQ platform. Gefangene atomare Ionen in mikrofabrizierten segmentierten Ionenfallen versprechen die Realisierung skalierbarer Quantenverarbeitungsknoten. Obwohl bereits bedeutende Meilensteine auf dem Gebiet des verrauschten Übergangsgrößen-Quanten-Rechners (NISQ) gezeigt wurden, ist die Realisierung von Plattformen, die den Nachweis der Überlegenheit von Quantenrechnern ermöglichen, nach wie vor eine große Herausforderung. Die Skalierbarkeit hin zu einer großen Anzahl an Qubits lässt sich durch die Verwendung von gefangenen Ionen, die in einer segmentierten Ionenfalle transportiert und in Laserwechselwirkungszonen manipuliert werden können, als Qubits realisieren/verwirklichen. Die Schwerpunkte dieser Arbeit sind die Entwicklung technologischer Schlüsselkomponenten für diesen Ansatz, die Systemintregration in die existierende Hardwareumgebung und die umfassende Charakterisierung der Systemperformance. Im Besonderen diskutieren wir die Entwicklung eines modularen, skalierbaren, mehrkanaligen Funktionsgenerator mit frei programmierbarer Kurvenform i.e Arbitrary Waveform Generators (mAWG). Dieser aktualisiert gleichzeitig bis zu 80 Fallenelektroden mit programmierbaren Spannungswellenformen und definiert die Form und die Dauer von 24 Laserpulsen für das verschränkende Gatteroperationen. Er hat eine Aktualisierungsrate von 2,7 MSPS für jeden Kanal und einen Spannungsbereich von +/-40 V mit einer Genauigkeit von 1,2 mV. Außerdem kann die Verzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten in Intervallen von 20~ns gesteuert werden. Dies ist wichtig für die Auflösung der Fallenschwingungsperiode während des Ionentransports. Zusätzlich stellen wir , unter Verwendung des mAWG, eine vollständige Fallencharakterisierung aller Bewegungsmodi, entlang der Fallenachse (axial) sowie quer und senkrecht (y und z) dazu, eines Ca+ Ions vor und quer (y und z) senkrecht dazu, eines Ca+ Ions vor. Diese ergibt niedrige Heizraten von {{n_bar}_{x, y, z }} = {9, 26.6 (7), 9.2 (3)} Phononen/s und lange Bewegungskohärenzzeiten von τ { x,y,z }={57(9), 11.6(5), 24(1)} ms. Wir realisieren außerdem verschiedene Arten elementarer Qubit-Registerkonfigurationen, wie lineare Transporte, Trennungen und Zusammenführungen von Ionenkristallen und Austausche von Ionen. Wir messen keine, durch diese axialen Operationen verursachte Anregung der Transversalmode, so dass Zwei-Qubit-Gatter mit einer Genauigkeit von über 99,5% erreicht werden. Dies öffnet einen Weg zur Realisierung eines NISQ. Wir zeigen auch, dass mit dieser Hardware alle Arten von Shuttling-Operationen parallel mit Laufzeiten von weniger als 60 us ausgeführt werden können, was für klein-maßstäbliche Quantenalgorithmen gut geeignet ist. Zuletzt diskutieren wir die Aussicht auf Skalierbarkeit dieser NISQ-Plattform.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2365
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000031574
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xiv, 241 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen