Quantum Error Correction with A Dual Species Atomic Qubit Array

使用双物质原子量子位阵列进行量子纠错

基本信息

  • 批准号:
    2210437
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 60万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-08-01 至 2025-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Quantum computing is attracting great interest due to its potential for solving practical problems that are intractable on classical computers. Areas of application include cryptography, design of new functional materials or chemical compounds, and speed up of machine learning systems for artificial intelligence using quantum mechanical phenomena. Today’s classical computers are extremely reliable because they incorporate circuitry for correcting infrequent, but unavoidable electronic errors before they disrupt the operation of the computer. For quantum computers to achieve their full potential they will also need error correcting circuitry. Correcting errors on a quantum computer is much more difficult than correcting errors on a classical computer because quantum states have a continuous range of values, not just the binary 0 or 1 of a classical computer. This project will demonstrate new approaches to implementing error correction on a quantum computer. The approach will use two different atomic elements, with one element holding the data to be protected while the other element will be used to detect errors that occur. When an error is detected operations will be applied to the data to correct the errors. These ideas will be demonstrated experimentally in a prototype, small scale quantum computer with error correction. Aditionally the project will contribute to scientific workforce development through training of students. The training will be interdisciplinary, drawing on methods and ideas from atomic and laser physics, electronic and computer based control systems, and quantum information theory. Research results will be incorporated into the University teaching curriculum.The project will advance the state of the art in quantum computation using atomic qubits. It will implement novel approaches to quantum error correction using two different atomic elements in a single experiment. A two-species array with data qubits encoded in Cs atoms and ancillas in Rb atoms will be used to demonstrate correction of quantum errors and the protection of encoded logical qubits against decoherence. One of the species (Cs) will be used to encode data qubits. The other species (Rb) will be used as measurement qubits. Quantum information will be transferred from Cs to Rb using a two-species quantum gate, and the Rb atoms will then be measured as part of the error correction protocol. The two-species array will use a novel technique that requires only a single wavelength of trapping light to confine two different atomic elements in spatially interleaved arrays. Quantum logic gates to create entanglement between pairs of atoms of the same type as well as pairs of atoms of different types will be performed by exciting atoms to Rydberg states with laser pulses. The major goals of the project will be to demonstrate preparation of logical qubits using the surface code and the 7-qubit Steane code. The coherence properties of logically encoded states will be studied and gates will be demonstrated between logical qubits.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
量子计算因其解决经典计算机难以解决的实际问题的潜力而引起了人们的极大兴趣,其应用领域包括密码学、新功能材料或化合物的设计以及利用量子力学现象加速人工智能的机器学习系统。当今的经典计算机非常可靠,因为它们集成了用于在干扰计算机运行之前纠正罕见但不可避免的电子错误的电路,为了充分发挥量子计算机的潜力,它们还需要纠错电路。量子计算机上的错误比经典计算机上的纠错要困难得多,因为量子态具有连续的值范围,而不仅仅是经典计算机的二进制 0 或 1。该项目将演示在量子计算机上实现纠错的新方法。该方法将使用两种不同的原子元素,其中一个元素保存要保护的数据,而另一个元素将用于检测发生的错误,当检测到错误时,将对数据应用操作来纠正错误。这些想法将在小规模原型中进行实验证明。此外,该项目还将通过跨学科的培训,利用原子和激光物理学、电子和计算机控制系统以及量子信息理论的方法和思想,为科学劳动力的发展做出贡献。结果将纳入大学教学课程。该项目将利用原子量子位推进量子计算的最新技术,它将在单个实验中使用两种不同的原子元素实现量子纠错的新方法。带有数据量子位铯原子中编码的量子位和铷原子中的辅助原子将用于演示量子错误的校正和编码逻辑量子位的保护,以防止退相干。其中一种物质(Cs)将用于编码数据量子位。量子信息将使用两种量子门从 Cs 传输到 Rb,然后作为纠错协议的一部分测量 Rb 原子。双物种阵列将使用一种新技术,仅需要单一波长的捕获光即可将两种不同的原子元素限制在空间交错的阵列中,从而在相同类型的原子对以及不同类型的原子对之间产生纠缠。该项目的主要目标是展示使用表面代码和 7 量子位 Steane 代码制备逻辑量子位的一致性。将研究逻辑编码状态的属性,并在逻辑量子位之间演示门。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Multiscale architecture for fast optical addressing and control of large-scale qubit arrays
用于大规模量子位阵列的快速光学寻址和控制的多尺度架构
  • DOI:
    10.1364/ao.484367
  • 发表时间:
    2023-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Graham, T. M.;Oh, E.;Saffman, M.
  • 通讯作者:
    Saffman, M.
Sensitivity of quantum gate fidelity to laser phase and intensity noise
量子门保真度对激光相位和强度噪声的敏感性
  • DOI:
    10.1103/physreva.107.042611
  • 发表时间:
    2023-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Jiang, X.;Scott, J.;Friesen, Mark;Saffman, M.
  • 通讯作者:
    Saffman, M.
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    2014
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    $ 60万
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