Authors:	Kaufmann, Henning
Title:	A scalable quantum processor
Online publication date:	9-Feb-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	In this work, the construction and operation of a scalable trapped-ion quantum logic processor is presented. Quantum information is stored in Zeeman sublevels |↑⟩ and |↓⟩ of Calcium-40 ions and operated by laser Raman interactions. Central part of the processor is a segmented micro-structured linear Paul trap, which is also referred to as quantum charge-coupled device (QCCD). Single ions are shuttled along the trap axis between memory zones and a processing zone, where single- and two-qubit logic gates are driven with lasers. Single-qubit gates are performed with a fidelity of 99.9949(2)% and we achieve a qubit state preparation and measurement rate of 99.923(3)%. For two-qubit entangling gates a fidelity of 99.5(1)% is accomplished. High fidelity entangling gates require the ions to be close to the motional ground state, which imposes stringent requirements on coherent excitation from shuttling operations and anomalous heating of the ion trap. We achieve a low heating rate of three motional quanta per second at a radial mode frequency of 2π x 4.6 MHz. We actively stabilize this mode frequency to better than 2π x 20 Hz. Three different shuttling operations suffice for QCCD operation - transport, rotation and separation of ion crystals. Since suppressing motional excitation along the axial shuttling direction is experimentally challenging, we use a radial mode, as a bus mode for the entangling gate. Ion transport is performed with a motional excitation of 0.028(2) phonons on this mode within 30 µs, two-ion separation with 0.03(1) phonons (80µs) and two-ion rotation with 0.02(1) phonons (42µs). The experimental building blocks are combined to implement a scalable quantum logic circuit. We generate a maximally entangled four-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger state |ψ⟩ = (|0000⟩+|1111⟩)/√2, which is an important resource for measurement-based quantum computing and quantum error correction. The constituent entangled ions are spatially separated over a distance of 1.8mm and full quantum state tomography yields a state fidelity of 94.4(3)%. A dynamical decoupling technique is employed to maintain 69(5)% coherence at a storage time of 1.1 seconds. Aside from probing the QCCD approach to scalable quantum computing, we demonstrate gate operations with a planar ion crystal: ground state cooling of a zigzag mode in a planar ion crystal is performed. For the first time, we realize the application of a spin-dependent optical dipole force on this mode, which is an important step towards an analog quantum simulator in a two-dimensional geometry. Diese Arbeit beschreibt den Aufbau und den Betrieb eines skalierbaren Ionen-Quantenprozessors. In Diesem wird Quanteninformation in den Zeeman-Zuständen |↑⟩ und |↓⟩ von Calcium-40 Ionen gespeichert und durch lasergetriebene Raman-Übergänge gesteuert. Das Herzstück des Prozessors ist eine segmentierte, mikrostrukturierte, lineare Paul-Falle, welche auch als quantum charge-coupled device (QCCD) bezeichnet wird. Einzelne Ionen werden entlang der Fallenachse zwischen Speicherzonen und einer Prozessorzone bewegt, wo Ein- und Zwei-Qubit-Logikgatter mit Lasern durchgeführt werden. Für Ein-Qubit-Gatter wurde eine Fidelity von 99.9949(2)% erzielt, wobei eine Erfolgsrate von 99.923(3)% für die Präparation und Messung des Qubit-Zustands erreicht werden konnte. Verschränkende Zwei-Qubit-Gatter wurden mit einer Fidelity von 99.5(1)% realisiert und setzen voraus, dass sich die Ionen nahe am Grundzustand der Bewegung befinden. Daher müssen die kohärente Anregung, welche durch Ionen-Verschiebeoperationen entsteht, und das anomale Aufheizen der Ionen möglichst gering sein. Die Heizrate der Ionenfalle ist niedrig. Sie beträgt drei Phononen pro Sekunde bei einer radialen Fallenfrequenz von 2π x 4.6 MHz, die aktiv auf eine Frequenzabweichung von weniger als 2π x 20 Hz stabilisiert wird. Für einen QCCD werden drei unterschiedliche Ionen-Verschiebeoperationen benötigt: Transport-, Rotations- und Trennoperationen von Ionenkristallen. Da die Unterdrückung von Bewegungsanregung entlang der axialen Verschiebungsrichtung eine experimentelle Herausforderung ist, wird das verschränkende Quantengatter mittels einer radialen Schwingungsmode realisiert. Die Anregung dieser Mode betrug für Ionentransporte 0.028(2) Phononen bei einer Transportdauer von 30µs. Trennoperationen von Zwei-Ionenkristallen wurden innerhalb von 80µs bei einer Anregung von 0.03(1) Phononen realisiert, Rotationsoperationen innerhalb von 42µs (0.02(1) Phononen). Die vorgestellten experimentellen Techniken wurden kombiniert, um mit vier Qubits einen skalierbaren Quantenlogikschaltkreis auszuführen, welcher einen maximal verschränkten Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand |ψ⟩ = (|0000⟩+|1111⟩)/√2 erzeugt. Dieser stellt eine wichtige Ressource für messungsbasierte Quantencomputer und Quantenfehlerkorrekturverfahren dar. Die vier verschränkten Ionen waren räumlich über eine Distanz von 1.8mm verteilt und mittels Quantenzustandstomographie wurde eine Zustands-Fidelity von 94.4(3)% gemessen. Mithilfe einer dynamischen Entkopplungssequenz konnte eine Zustandskohärenz von 69(5)% bei einer Speicherzeit von 1.1 Sekunden aufrechterhalten werden. Neben der Erforschung des QCCD-Ansatzes zur Realisierung eines skalierbaren Quantencomputers wurden Gatteroperationen mit einem planaren Ionenkristall demonstriert: Auf einer Zickzack-Mode wurde Grundzustandskühlen und zum ersten Mal eine spinabhängige Dipolkraft realisiert. Dies stellt einen wichtigen Schritt in Richtung eines analogen Quantensimulators in einer zweidimensionalen Geometrie dar.
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-2846
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000018985
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VII, 208 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen