Implementation of High-Fidelity Quantum Gates via Pulse Shaping in a Trapped 171Yb+ Ion Qubit System

Abstract

Quantum computers have emerged as a next-generation information-processing technology capable of outperforming classical computers for certain computational tasks. To realize such quantum computation, a quantum system must offer long coherence times, high control precision, and low SPAM error. Trapped-ion systems not only satisfy these requirements but also serve as a leading platform for high-fidelity multi-qubit operations, as precise laser control enables coupling between the qubit states and the collective motional modes of the ion crystal, thereby inducing effective spin-spin interactions among selected qubits. In this work, we constructed a complete experimental apparatus comprising the ion trap, ultra-high-vacuum system, laser systems, and an ARTIQ-based control system, enabling stable trapping and optical manipulation of both single ions and ion chains. Using this setup, we implemented single- and two-qubit operations on 171Yb+ ions driven by microwave fields and 355 nm pulsed laser beams. To support these operations, we characterized the motional modes of the ion, performed sideband cooling, and prepared the ions close to motional ground state. Based on this foundation, we realized a two-qubit entangling gate using the Mølmer-Sørensen interaction and verified the resulting entangled states through population measurements and parity oscillations. To further improve two-qubit gate performance, we applied segmented pulse shaping via an arbitrary waveform generator (AWG), enabling time-dependent amplitude modulation of the Raman beams. This approach minimizes residual displacements, suppresses multi-mode couplings, and allows high-fidelity entangling operations at arbitrary gate times despite multiple motional modes. The experimental results of this study demonstrate that segmented pulse shaping not only enhances the performance of two-qubit entangling gates, but also represents a promising approach for scalable multi-qubit systems.;양자컴퓨터는 특정 계산 문제에서 고전적인 컴퓨터가 달성할 수 없는 계산 효율을 제공할 수 있는 차세대 정보처리 기술로 주목받고 있다. 이러한 양자연산을 실제로 구현하기 위해서는 긴 코히런스 시간, 높은 제어 정밀도, 신뢰도 높은 초기화 및 측정 능력을 갖춘 양자 시스템이 필요하다. 이온트랩 시스템은 이러한 요구 조건을 충족할 뿐만 아니라, 정밀한 레이저 조작을 통해 이온 결정의 집단 운동 모드와 결합시키고, 이를 통해 큐빗 간 스핀-스핀 상호작용을 유도하여 높은 충실도의 다중 큐빗 연산을 구현할 수 있는 대표적인 후보로 알려져 있다. 본 연구에서는 트랩, 초고진공 장치, 레이저 및 ARTIQ 기반 제어 시스템을 포함한 전체 실험 환경을 구축하였으며 이를 통해 단일 이온 및 다중 이온의 안정적인 트래핑과 광학적 제어가 가능함을 확인하였다. 이후 마이크로파 및 펄스 라만 레이저를 이용해 단일 및 이중 큐빗 연산을 수행하였다. 이를 위해 운동 모드를 정밀하게 특성화하고 사이드밴드 냉각을 수행하여 이온의 운동 바닥 상태를 달성하였다. 이러한 기반 위에서 Mølmer–Sørensen 상호작용을 이용한 이중 큐빗 얽힘 게이트를 구현하였으며, 생성된 얽힘 상태는 상태 분포와 패리티 진동 측정을 통해 확인하였다. 더 나아가 이중 큐빗 게이트 성능 향상을 위해 임의 파형 발생기를 사용한 세그먼트 기반 진폭 변조를 적용하였다. 이 방식은 라만 빔의 진폭을 시간에 따라 조절함으로써 잔류 변위를 효과적으로 억제하고, 다중 모드 간의 비의도적 결합을 최소화한다. 그 결과 다중 운동 모드가 존재하는 상황에서도 임의의 게이트 시간에서 높은 충실도의 게이트를 구현할 수 있었다. 본 연구의 실험 결과는 세그먼트 기반 펄스 정형이 이중 큐빗 얽힘 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 향후 다중 큐빗 확장에서도 높은 유연성과 확장성을 제공하는 유망한 접근 방식임을 보여준다.