편향 잡음에 강한 스핀캣 큐비트 구현

초록

본 연구는 광학 트위저 어레이에서 ${}^{173}\mathrm{Yb}$ 원자 핵스핀 $I=5/2$를 이용해 스핀‑캣 큐비트를 구현하고, SU(2) 공변 회전 및 비선형 회전을 실현하였다. 평균 단일 클리퍼 게이트 충실도는 $0.961_{-5}^{+5}$이며, 아이들링 시 탈동조 오류가 인코딩된 $|m_F|$가 클수록 편향되는 것을 확인했다. 또한, 순위 보존 게이트에서 편향 비율 $18_{-11}^{+132}$를 측정했으며, 이는 ${}^{171}\mathrm{Yb}$ 두 수준 시스템에서는 편향이 관측되지 않은 것과 대조된다. 결과는 편향‑맞춤 양자 오류 정정 코드 구현을 위한 스핀‑캣 큐비트의 실현 가능성을 입증한다.

상세 요약

이 논문은 양자 오류 정정(QECC)에서 핵심적인 문제인 잡음 편향을 활용한 코드를 구현하기 위한 하드웨어 플랫폼으로서, 대핵스핀을 이용한 스핀‑캣 큐비트를 제시한다. 기존의 두 수준 원자 시스템은 잡음이 거의 등방성(isotropic)이라 편향을 만들기 어렵지만, $I=5/2$를 갖는 ${}^{173}\mathrm{Yb}$는 $2F+1=6$개의 하이퍼핀 레벨을 제공한다. 저자들은 이 중 양극과 음극을 대칭적으로 선택해 $|m_F|$가 큰 서브레벨을 인코딩함으로써, 디코히런스(위상 잡음)와 스핀 이완(에너지 이완) 사이의 비율을 조절한다. 실험적으로는 532 nm 파장의 스테레오틱 광학 빔을 이용해 라만 전이와 AC Stark 효과를 결합해 임의의 SU(2) 회전을 구현했으며, 비선형 회전은 두 광자 라만 프로세스를 통해 구현해 고차 비틀림 연산을 가능하게 했다. 게이트 충실도는 랜덤라이즈드 베리얼리티(RB)와 인터리버드 랜덤라이즈드 베리얼리티(IRB)를 결합해 $0.961_{-5}^{+5}$를 얻었으며, 이는 현재 중성 원자 트위저 어레이에서 보고된 최고 수준에 근접한다. 아이들링 잡음 측정에서는 $T_2^$와 $T_1$을 각각 $12,$ms와 $45,$ms 정도로 확보했으며, $|m_F|$가 증가할수록 $T_2^$가 급격히 감소해 위상 잡음이 지배적으로 변한다. 이를 바탕으로 순위 보존 게이트(예: $Z$-축 회전)에서 편향 비율을 베이즈 추정으로 $18_{-11}^{+132}$로 추정했는데, 이는 통계적 불확실성이 크지만 편향이 존재함을 시사한다. 반면, ${}^{171}\mathrm{Yb}$(핵스핀 $I=1/2$)에서는 동일한 측정에서 편향이 0에 가까워 두 시스템 간 차이를 명확히 드러낸다. 이러한 결과는 스핀‑캣 큐비트가 편향‑맞춤 QECC, 특히 X-편향(위상) 혹은 Z-편향(에너지) 코드를 구현하는 데 유리한 물리적 기반을 제공함을 의미한다. 또한, 광학 트위저 어레이의 확장성, 개별 원자 주소화, 그리고 다중 큐비트 상호작용을 위한 Rydberg 블록ade와의 호환성을 고려하면, 대규모 편향‑맞춤 오류 정정 아키텍처 구축이 현실화될 가능성이 높다.