이온트랩 기반 양자 컴퓨터용 2-큐비트 게이트의 레이저 펄스 최적화

Abstract

이온트랩 기반 양자컴퓨터에서 연산을 위해 사용하는 단위 2-큐비트 게이트로 주로 Mølmer–Sørensen 게이트가 사용된다. 게이트 연산 시간 동안 트랩 주파수, 레이저 주파수, 레이저 세기, 레이저 위상 등이 연산 결과에 영향을 준다. 일반적으로 한 번의 게이트 연산을 할 때 트랩 주파수와 레이저 주파수는 일정한 값으로 유지시키고, 레이저 세기와 위상은 시간에 따라 변조시키는데, 이론적인 게이트 연산 조건을 만족시키도록 미리 레이저 변조 값들을 계산한 후 그 값을 목표로 실험적으로 제어한다. 실험 값들을 완벽하게 제어할 수 없기 때문에 2-큐비트 게이트 연산의 오차가 생기게 된다. 실용적인 연산을 하기 위해선 많은 수의 2-큐비트 게이트가 사용이 되는데 별다른 조작 없이 게이트를 사용할 경우 단일 연산 오차가 누적되어 최종적으로 예상되는 연산 결과를 얻을 수 없게 된다. 이를 방지하기 위해 오류정정부호가 개발되었는데 오류정정을 위해 요구되는 단일 2-큐비트 게이트 연산 신뢰도는 99.99%이다. 하지만 현재까지 개발된 이온트랩 양자컴퓨터의 단일 2-큐비트 게이트 연산 신뢰도는 96 ~ 98% 정도로 이에 미치지 못하고 있다. 본 연구에서는 트랩 주파수의 제어 오차가 있어도 2-큐비트 게이트 연산 신뢰도를 1 근처로 유지시킬 수 있도록 레이저 변조 값들을 최적화하는 방안을 고안했다. 이를 위해 탐색 공간으로는 시간에 따른 레이저 변조 값들을, 목표 함수로는 트랩 주파수의 오차가 있을 때의 게이트 연산 신뢰도들을 가중치를 곱해 더한 값을, 최적화 알고리즘으로는 Backtracking Search Optimization Algorithm을 사용했다. 그 결과 트랩 주파수의 제어 오차에 대해 향상된 신뢰도를 가지는 레이저 변조 값을 찾을 수 있었다.

Quantum computing has been under a progressive attention in expectation of solving classically intractable problems such as simulation of large quantum systems and substantially faster calculation of integer factorization of large numbers. An ion trap, one of the promising physical platform of a quantum computer, has advantages over other platforms in that it has full connectivity among arbitrary pairs of quantum bits (qubits). However, ion traps, similar to other platforms, are not yet used to solve practical problems because of the errors in running the quantum algorithms. Main cause of the error is low fidelity of quantum gates that implement the algorithm, which is induced by unintended interaction between qubits and the environment and by control error of the device, i.e. errors on laser and trap frequency. Recent studies engineered amplitude, phase, and frequency of the lasers for robust Molmer-Sorensen gate. This thesis investigates amplitude modulation for robust Molmer-Sorensen gate under trap frequency drift. Objective function for robustness is designed with two parameters and selected after testing various parameters. Backtracking Search Optimization Algorithm, one of the popular genetic algorithms, is used to optimize amplitude modulation of laser pulse with our designed objective function. The laser pulse sequence found by this method shows more robustness under trap frequency drift than the previous methods.