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Effect on ion-trap quantum computers from the quantum nature of the driving field

Science China(Information Sciences) 2020年第10期63卷 219-233页

作者： Biyao YANG Li YANG State Key Laboratory of Information Security Institute of Information EngineeringChinese Academy of Sciences State Key Laboratory of Cryptology School of Cyber Security University of Chinese Academy of Sciences

In this study, we evaluate the effect on ion-trap quantum computers（QCs） from the quantum nature of the driving field, and propose a theoretical limit for ion-trap QCs that may impact the design of quantum algorithms and realization of practical QCs. We obtain, for the first time, the permitted depth of logical operation for fault-tolerant ion-trap QCs. Physically, we provide an exact（full-quantum） description of the QC system, and present for the first time its time evolution after gate operations; mathematically,we solve problems such as certain summations of trigonometric series with any given precision. Comparing the actual state after CNOT gates driven by a quantized field with the expected state, we obtain the failure probability and estimate that the number of CNOT gates on the same pair of physical qubits is not more than 10;in one error-correction period, which is a physical limit that cannot be easily overcome. The conclusion can help determine the number of CNOT operations between coding and decoding in one error-correction period and can be used as a reference for quantum algorithm design.

关键词： quantum computing ion-trap quantum algorithm fault-tolerant quantum computation threshold theorem permitted depth of logical operation

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