Moving trapped-ion qubits in a microstructured array of radiofrequency traps offers a route toward realizing scalable quantum processing nodes. Establishing such nodes, providing sufficient functionality to represent a building block for emerging quantum technologies, e.g., a quantum computer or quantum repeater, remains a formidable technological challenge. In this review, the authors present a holistic view on such an architecture, including the relevant components, their characterization, and their impact on the overall system performance. The authors present a hardware architecture based on a uniform linear segmented multilayer trap, controlled by a custom-made fast multichannel arbitrary waveform generator. The latter allows for conducting a set of different ion shuttling operations at sufficient speed and quality. The authors describe the relevant parameters and performance specifications for microstructured ion traps, waveform generators, and additional circuitry, along with suitable measurement schemes to verify the system performance. Furthermore, a set of different basic shuttling operations for a dynamic qubit register reconfiguration is described and characterized in detail.
References
1.
T. D.
Ladd
, F.
Jelezko
, R.
Laflamme
, Y.
Nakamura
, C.
Monroe
, and J. L.
O'Brien
, Nature
464
, 45
(2010
).2.
N. M.
Linke
, D.
Maslov
, M.
Roetteler
, S.
Debnath
, C.
Figgatt
, K. A.
Landsman
, K.
Wright
, and C.
Monroe
, Proc. Natl. Acad. Sci.
114
, 3305
(2017
).3.
T.
Monz
, D.
Nigg
, E. A.
Martinez
, M. F.
Brandl
, P.
Schindler
, R.
Rines
, S. X.
Wang
, I. L.
Chuang
, and R.
Blatt
, Science
351
, 1068
(2016
).4.
S.
Debnath
, N. M.
Linke
, C.
Figgatt
, K. A.
Landsman
, K.
Wright
, and C.
Monroe
, Nature
536
, 63
(2016
).5.
H.
Kaufmann
, T.
Ruster
, C. T.
Schmiegelow
, M. A.
Luda
, V.
Kaushal
, J.
Schulz
, D.
von Lindenfels
, F.
Schmidt-Kaler
, and U. G.
Poschinger
, Phys. Rev. Lett.
119
, 150503
(2017
).6.
V. M.
Schäfer
, C. J.
Ballance
, K.
Thirumalai
, L. J.
Stephenson
, T. G.
Ballance
, A. M.
Steane
, and D. M.
Lucas
, Nature
555
, 75
(2018
).7.
T.
Choi
, S.
Debnath
, T. A.
Manning
, C.
Figgatt
, Z.-X.
Gong
, L.-M.
Duan
, and C.
Monroe
, Phys. Rev. Lett.
112
, 190502
(2014
).8.
T. J.
Green
and M. J.
Biercuk
, Phys. Rev. Lett.
114
, 120502
(2015
).9.
A. K.
Ratcliffe
, R. L.
Taylor
, J. J.
Hope
, and A. R. R.
Carvalho
, Phys. Rev. Lett.
120
, 220501
(2018
).10.
F.
Arute
et al., Nature
574
, 505
(2019
).11.
E.
Pednault
, J.
Gunnels
, D.
Maslov
, and J.
Gambetta
, “On quantum supremacy
,” https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/, accessed 21 October 2019.12.
J.
Preskill
, Quantum
2
, 79
(2018
).13.
B. M.
Terhal
, Rev. Mod. Phys.
87
, 307
(2015
).14.
P.
Schindler
, J. T.
Barreiro
, T.
Monz
, V.
Nebendahl
, D.
Nigg
, M.
Chwalla
, M.
Hennrich
, and R.
Blatt
, Science
332
, 1059
(2011
).15.
D.
Nigg
, M.
Müller
, E. A.
Martinez
, P.
Schindler
, M.
Hennrich
, T.
Monz
, M. A.
Martin-Delgado
, and R.
Blatt
, Science
345
, 302
(2014
).16.
D.
James
, Appl. Phys. B
66
, 181
(1998
).17.
D.
Leibfried
, R.
Blatt
, C.
Monroe
, and D.
Wineland
, Rev. Mod. Phys.
75
, 281
(2003
).18.
H. C.
Nägerl
, D.
Leibfried
, H.
Rohde
, G.
Thalhammer
, J.
Eschner
, F.
Schmidt-Kaler
, and R.
Blatt
, Phys. Rev. A
60
, 145
(1999
).19.
J. I.
Cirac
and P.
Zoller
, Phys. Rev. Lett.
74
, 4091
(1995
).20.
T.
Monz
et al., Phys. Rev. Lett.
106
, 130506
(2011
).21.
J.
Zhang
, G.
Pagano
, P. W.
Hess
, A.
Kyprianidis
, P.
Becker
, H.
Kaplan
, A. V.
Gorshkov
, Z.-X.
Gong
, and C.
Monroe
, Nature
551
, 601
(2017
).22.
V.
Negnevitsky
, M.
Marinelli
, K.
Mehta
, H.-Y.
Lo
, C.
Flühmann
, and J. P.
Home
, Nature
563
, 527
–531
(2018
).23.
L. J.
Stephenson
et al., “High-rate, high-fidelity entanglement of qubits across an elementary quantum network
,” Phys. Rev.
Lett. (to be published).24.
C.
Figgatt
, D.
Maslov
, K. A.
Landsman
, N. M.
Linke
, S.
Debnath
, and C.
Monroe
, Nat. Commun.
8
, 1918
(2017
).25.
K.
Wright
et al., Nature Communications
10
, 5464
(2019
).26.
H.
Landa
, J.
Brox
, M.
Mielenz
, T.
Schätz
, and B.
Reznik
, New J. Phys.
15
, 093003
(2013
).27.
D.
Kielpinski
, C.
Monroe
, and D. J.
Wineland
, Nature
417
, 709
(2002
).28.
Y.
Li
and S. C.
Benjamin
, npj Quantum Inf.
4
, 25
(2018
).29.
D. L.
Moehring
, P.
Maunz
, S.
Olmschenk
, K. C.
Younge
, D. N.
Matsukevich
, L.-M.
Duan
, and C.
Monroe
, Nature
449
, 68
(2007
).30.
C.
Monroe
, R.
Raussendorf
, A.
Ruthven
, K. R.
Brown
, P.
Maunz
, L.-M.
Duan
, and J.
Kim
, Phys. Rev. A
89
, 022317
(2014
).31.
C.
Monroe
and J.
Kim
, Science
339
, 1164
–1169
(2013
).32.
K. R.
Brown
, J.
Kim
, and C.
Monroe
, npj Quantum Inf.
2
, 16034
(2016
).33.
A. D.
Pfister
, M.
Salz
, M.
Hettrich
, U. G.
Poschinger
, and F.
Schmidt-Kaler
, Appl. Phys. B
122
, 89
(2016
).34.
R.
Nigmatullin
, C. J.
Ballance
, N.
de Beaudrap
, and S. C.
Benjamin
, New J. Phys.
18
, 103028
(2016
).35.
J. D.
Siverns
and Q.
Quraishi
, Quantum Inf. Process.
16
, 314
(2017
).36.
B.
Lekitsch
, S.
Weidt
, A. G.
Fowler
, K.
Mølmer
, S. J.
Devitt
, C.
Wunderlich
, and W. K.
Hensinger
, Sci. Adv.
3
, e1601540
(2017
).37.
S.
Weidt
et al., Phys. Rev. Lett.
117
, 220501
(2016
).38.
C.
Ospelkaus
, U.
Warring
, Y.
Colombe
, K. R.
Brown
, J. M.
Amini
, D.
Leibfried
, and D. J.
Wineland
, Nature
476
, 181
(2011
).39.
T. P.
Harty
, M. A.
Sepiol
, D. T. C.
Allcock
, C. J.
Ballance
, J. E.
Tarlton
, and D. M.
Lucas
, Phys. Rev. Lett.
117
, 140501
(2016
).40.
C.
Piltz
, T.
Sriarunothai
, S. S.
Ivanov
, S.
Wölk
, and C.
Wunderlich
, Sci. Adv.
2
, e1600093
(2016
).41.
M. D.
Hughes
, B.
Lekitsch
, J. A.
Broersma
, and W. K.
Hensinger
, Contemp. Phys.
52
, 505
(2011
).42.
S.
Seidelin
et al., Phys. Rev. Lett.
96
, 253003
(2006
).43.
J. M.
Amini
et al., New J. Phys.
12
, 033031
(2010
).44.
D.
Stick
, W.
Hensinger
, S.
Olmschenk
, M.
Madsen
, K.
Schwab
, and C.
Monroe
, Nat. Phys.
2
, 36
(2006
).45.
R. B.
Blakestad
, C.
Ospelkaus
, A. P.
VanDevender
, J. M.
Amini
, J.
Britton
, D.
Leibfried
, and D. J.
Wineland
, Phys. Rev. Lett.
102
, 153002
(2009
).46.
P.
Kaufmann
, T. F.
Gloger
, D.
Kaufmann
, M.
Johanning
, and C.
Wunderlich
, Phys. Rev. Lett.
120
, 010501
(2018
).47.
T.
Ruster
, H.
Kaufmann
, M. A.
Luda
, V.
Kaushal
, C. T.
Schmiegelow
, F.
Schmidt-Kaler
, and U. G.
Poschinger
, Phys. Rev. X
7
, 031050
(2017
).48.
J. P.
Home
et al., New J. Phys.
8
, 188
(2006
).49.
U. G.
Poschinger
et al., J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
42
, 154013
(2009
).50.
T.
Ruster
, C. T.
Schmiegelow
, H.
Kaufmann
, C.
Warschburger
, F.
Schmidt-Kaler
, and U. G.
Poschinger
, Appl. Phys. B
122
, 254
(2016
).51.
F.
Schmidt-Kaler
et al., Appl. Phys. B
77
, 789
(2003
).52.
D. T. C.
Allcock
, T. P.
Harty
, C. J.
Ballance
, B. C.
Keitch
, N. M.
Linke
, D. N.
Stacey
, and D. M.
Lucas
, Appl. Phys. Lett.
102
, 044103
(2013
).53.
P. J.
Kunert
, D.
Georgen
, L.
Bogunia
, M. T.
Baig
, M. A.
Baggash
, M.
Johanning
, and C.
Wunderlich
, Appl. Phys. B
114
, 27
(2014
).54.
J.
Welzel
, F.
Stopp
, and F.
Schmidt-Kaler
, J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
52
, 025301
(2019
).55.
J. T.
Merrill
et al., New J. Phys.
13
, 103005
(2011
).56.
A. M.
Eltony
, S. X.
Wang
, G. M.
Akselrod
, P. F.
Herskind
, and I. L.
Chuang
, Appl. Phys. Lett.
102
, 054106
(2013
).57.
S. C.
Connell
et al., “Scalable ion-photon quantum interface based on integrated diffractive mirrors
,” Frontiers in Optics 2017
, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017), paper FM3E.5.58.
N. D.
Guise
et al., J. Appl. Phys.
117
, 174901
(2015
).59.
K. K.
Mehta
, A. M.
Eltony
, C. D.
Bruzewicz
, I. L.
Chuang
, R. J.
Ram
, J. M.
Sage
, and J.
Chiaverini
, Appl. Phys. Lett.
105
, 044103
(2014
).60.
G.
Wilpers
, P.
See
, P.
Gill
, and A. G.
Sinclair
, Nat. Nanotechnol.
7
, 572
(2012
).61.
C. R.
Clark
, C.-W.
Chou
, A. R.
Ellis
, J.
Hunker
, S. A.
Kemme
, P.
Maunz
, B.
Tabakov
, C.
Tigges
, and D. L.
Stick
, Phys. Rev. Appl.
1
, 024004
(2014
).62.
S.
Ragg
, C.
Decaroli
, T.
Lutz
, and J. P.
Home
, “Segmented ion-trap fabrication using high precision stacked wafers
,” Rev. Sci. Instrm.
90
, 103203
(2019
).63.
Q.
Turchette
et al., Phys. Rev. A
61
, 063418
(2000
).64.
W. K.
Hensinger
, S.
Olmschenk
, D.
Stick
, D.
Hucul
, M.
Yeo
, M.
Acton
, L.
Deslauriers
, C.
Monroe
, and J.
Rabchuk
, Appl. Phys. Lett.
88
, 034101
(2006
).65.
N.
Daniilidis
, S.
Gerber
, G.
Bolloten
, M.
Ramm
, A.
Ransford
, E.
Ulin-Avila
, I.
Talukdar
, and H.
Häffner
, Phys. Rev. B
89
, 245435
(2014
).66.
R. B.
Blakestad
, “Transport of trapped-ion qubits within a scalable quantum processor
,” Ph.D. dissertation
(University of Colorado
, 2010
).67.
G.
Huber
, F.
Ziesel
, U.
Poschinger
, K.
Singer
, and F.
Schmidt-Kaler
, Appl. Phys. B
100
, 725
(2010
).68.
R.
Bowler
, U.
Warring
, J. W.
Britton
, B. C.
Sawyer
, and J.
Amini
, Rev. Sci. Instrum.
84
, 033108
(2013
).69.
M. T.
Baig
, M.
Johanning
, A.
Wiese
, S.
Heidbrink
, M.
Ziolkowski
, and C.
Wunderlich
, Rev. Sci. Instrum.
84
, 124701
(2013
).70.
N.
Beev
, J.-A.
Fenske
, S.
Hannig
, and P. O.
Schmidt
, Rev. Sci. Instrum.
88
, 054704
(2017
).71.
M.
Brownnutt
, M.
Kumph
, P.
Rabl
, and R.
Blatt
, Rev. Mod. Phys.
87
, 1419
–1482
(2015
).72.
C. J.
Ballance
, “High-fidelity quantum logic in Ca+
,” Ph.D. dissertation (University of Oxford
, 2014
).73.
S.
Jefferts
, C.
Monroe
, E. W.
Bell
, and D. J.
Wineland
, Phys. Rev. A
51
, 3112
(1995
).74.
M. E.
Poitzsch
, J. C.
Bergquist
, W. M.
Itano
, and D. J.
Wineland
, Rev. Sci. Instrum.
67
, 129
–134
(1996
).75.
D.
Gandolfi
, M.
Niedermayr
, M.
Kumph
, M.
Brownnutt
, and R.
Blatt
, Rev. Sci. Instrum.
83
, 084705
(2012
).76.
M. F.
Brandl
, P.
Schindler
, T.
Monz
, and R.
Blatt
, Appl. Phys. B
122
, 157
(2016
).77.
J. D.
Siverns
, L. R.
Simkins
, S.
Weidt
, and W. K.
Hensinger
, Appl. Phys. B
107
, 921
(2012
).78.
K. G.
Johnson
, J. D.
Wong-Campos
, A.
Restelli
, K. A.
Landsman
, B.
Neyenhuis
, J.
Mizrahi
, and C.
Monroe
, Rev. Sci. Instrum.
87
, 053110
(2016
).79.
Q. A.
Turchette
, C. J.
Myatt
, B. E.
King
, C. A.
Sackett
, D.
Kielpinski
, W. M.
Itano
, C.
Monroe
, and D. J.
Wineland
, Phys. Rev. A
62
, 053807
(2000
).80.
I. A.
Boldin
, A.
Kraft
, and C.
Wunderlich
, Phys. Rev. Lett.
120
, 023201
(2018
).81.
J. A.
Sedlacek
, A.
Greene
, J.
Stuart
, R.
McConnell
, C. D.
Bruzewicz
, J. M.
Sage
, and J.
Chiaverini
, Phys. Rev. A
97
, 020302
(2018
).82.
L.
Deslauriers
, S.
Olmschenk
, D.
Stick
, W. K.
Hensinger
, J.
Sterk
, and C.
Monroe
, Phys. Rev. Lett.
97
, 103007
(2006
).83.
C.
Noel
, M.
Berlin-Udi
, C.
Matthiesen
, J.
Yu
, Y.
Zhou
, V.
Lordi
, and H.
Häffner
, Phys. Rev. A
99
, 063427
(2019
).84.
J. A.
Sedlacek
, J.
Stuart
, W.
Loh
, R.
McConnell
, C. D.
Bruzewicz
, J. M.
Sage
, and J.
Chiaverini
, J. Appl. Phys.
124
, 214904
(2018
).85.
I.
Talukdar
, D. J.
Gorman
, N.
Daniilidis
, P.
Schindler
, S.
Ebadi
, H.
Kaufmann
, T.
Zhang
, and H.
Häffner
, Phys. Rev. A
93
, 043415
(2016
).86.
D.
An
, C.
Matthiesen
, E.
Urban
, and H.
Häffner
, “Distance scaling and polarization of electric-field noise in a surface ion trap
,” Phys. Rev. A
100
, 063405
(2019
).87.
D. M.
Meekhof
, C.
Monroe
, B. E.
King
, W. M.
Itano
, and D. J.
Wineland
, Phys. Rev. Lett.
76
, 1796
(1996
).88.
D.
Wineland
, C.
Monroe
, W. M.
Itano
, D.
Leibfried
, B. E.
King
, and D. M.
Meekhof
, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol.
103
, 259
(1998
).89.
C.
Roos
, T.
Zeiger
, H.
Rohde
, H. C.
Nägerl
, J.
Eschner
, D.
Leibfried
, F.
Schmidt-Kaler
, and R.
Blatt
, Phys. Rev. Lett.
83
, 4713
(1999
).90.
H.
Kaufmann
, T.
Ruster
, C. T.
Schmiegelow
, M. A.
Luda
, V.
Kaushal
, J.
Schulz
, D.
von Lindenfels
, F.
Schmidt-Kaler
, and U. G.
Poschinger
, Phys. Rev. A
95
, 052319
(2017
).91.
T.
Ruster
et al., Phys. Rev. A
90
, 033410
(2014
).92.
A.
Walther
, F.
Ziesel
, T.
Ruster
, S. T.
Dawkins
, K.
Ott
, M.
Hettrich
, K.
Singer
, F.
Schmidt-Kaler
, and U. G.
Poschinger
, Phys. Rev. Lett.
109
, 080501
(2012
).93.
94.
R. B.
Blakestad
, C.
Ospelkaus
, J. H.
VanDevender
, M. J.
Wesenberg
, J.
Biercuk
, D.
Leibfried
, and D.
Wineland
, Phys. Rev. A
84
, 032314
(2011
).95.
R.
Bowler
, J.
Gaebler
, Y.
Lin
, T. R.
Tan
, D.
Hanneke
, J. D.
Jost
, J. P.
Home
, D.
Leibfried
, and D. J.
Wineland
, Phys. Rev. Lett.
109
, 080502
(2012
).96.
S.
Schulz
, U.
Poschinger
, K.
Singer
, and F.
Schmidt-Kaler
, Fortschr. Phys.
54
, 648
(2006
).97.
E.
Torrontegui
, S.
Ibáñez
, X.
Chen
, A.
Ruschhaupt
, D.
Guéry-Odelin
, and J. G.
Muga
, Phys. Rev. A
83
, 013415
(2011
).98.
X.-J.
Lu
, J. G.
Muga
, X.
Chen
, U. G.
Poschinger
, F.
Schmidt-Kaler
, and A.
Ruschhaupt
, Phys. Rev. A
89
, 063414
(2014
).99.
H. A.
Fürst
, M. H.
Goerz
, U. G.
Poschinger
, M.
Murphy
, S.
Montangero
, T.
Calarco
, F.
Schmidt-Kaler
, K.
Singer
, and C. P.
Koch
, New J. Phys.
16
, 075007
(2014
).100.
H.
Kaufmann
, T.
Ruster
, C. T.
Schmiegelow
, F.
Schmidt-Kaler
, and U. G.
Poschinger
, New J. Phys.
16
, 073012
(2014
).101.
F.
Splatt
, M.
Harlander
, M.
Brownnutt
, F.
Zähringer
, R.
Blatt
, and W.
Hänsel
, New J. Phys.
11
, 103008
(2009
).102.
T. P.
Harty
, D. T. C.
Allcock
, C. J.
Ballance
, L.
Guidoni
, H. A.
Janacek
, N. M.
Linke
, D. N.
Stacey
, and D. M.
Lucas
, Phys. Rev. Lett.
113
, 220501
(2014
).103.
T. R.
Tan
, J. P.
Gaebler
, Y.
Lin
, Y.
Wan
, R.
Bowler
, D.
Leibfried
, and D. J.
Wineland
, Nature
528
, 380
(2015
).104.
C. J.
Ballance
et al., Nature
528
, 384
(2015
).105.
J. P.
Home
, D.
Hanneke
, J. D.
Jost
, J. M.
Amini
, D.
Leibfried
, and D. J.
Wineland
, Science
325
, 1227
(2009
).106.
E. W.
Streed
, B. G.
Norton
, A.
Jechow
, T. J.
Weinhold
, and D.
Kielpinski
, Phys. Rev. Lett.
106
, 010502
(2011
).107.
D.
Hucul
, I. V.
Inlek
, G.
Vittorini
, C.
Crocker
, S.
Debnath
, S. M.
Clark
, and C.
Monroe
, Nat. Phys.
11
, 37
(2015
).108.
B.
Brandstätter
et al., Rev. Sci. Instrum.
84
, 123104
(2013
).109.
H.
Takahashi
, E.
Kassa
, C.
Christoforou
, and M.
Keller
, Phys. Rev. Lett.
124
, 013602
(2020
).110.
G.
Jacob
, K.
Groot-Berning
, S.
Wolf
, S.
Ulm
, L.
Couturier
, S. T.
Dawkins
, U. G.
Poschinger
, F.
Schmidt-Kaler
, and K.
Singer
, Phys. Rev. Lett.
117
, 043001
(2016
).111.
K.
Groot-Berning
et al., Phys. Rev. A
99
, 023420
(2019
).112.
C.
Hempel
et al., Phys. Rev. X
8
, 031022
(2018
).© 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.
