Investigating the impact of a laser’s noise property on qubits

Wednesday, November 23, 2022

When Institute for Quantum Computing (IQC) Research Associate Matthew Day had his lab temporarily closed during the COVID-19 pandemic, the experimentalist found himself at some loose ends. What’s an experimentalist to do without his equipment? For Day, it was a chance for him to ask questions he’d been thinking about for a while. Specifically, Day wanted to know: how does equipment in the lab affect experiments?

Day set out to examine how the noise property of a laser affected the control of qubits in Crystal Senko’s Ion Trapping lab. Alongside several researchers, Day studied the unique structure of laser noise and developed an algorithm that determines when a stabilised laser source has been optimised for quantum control of atomic qubits. Noise in a laser refers to the random fluctuations of a laser’s light.

“If you reduce the influence laser noise, does it mean you don’t have to worry about the laser affecting your work?” Day said. “Is it possible? The answer is yes.”

Day, trained as theorist in school, has created a tool with his collaborators to measure when a laser is inconsequential in an experiment. It’s a new metric he noted, as most researchers focus on the linewidth of their lasers and its effect on experiments. This algorithm however, lets individuals know about the quality of the laser they are using.

“Do you need to buy a better or different laser for your experiment?” Day said. “This tool will let you know if you should. Laser companies and academics are going to find this interesting.”

Day has tested the algorithm in the lab, but he senses that the tool will also be useful for quantum researchers who use microwave sources as well.

“People know that it’s been a problem,” Day said. “But not one has taken the time to do anything about it.” He’s grateful that the downtime caused by the COVID-19 pandemic let him focus his energy on this question, because he believes it will help him create better experimental outcomes in the lab.

“Limits are being reached in our labs and testing the capacity of our equipment,” he notes. “We need to understand these limiting errors and need to understand how equipment quality is affecting these errors.”

While Day originally envisioned himself working as a theorist in quantum gravity, he discovered during his schooling that he liked making useful research contributions related to laser-affected qubits. Researchers, experimentalists or theorists, need to understand both sides of their research, and this is something Day practices through his research. IQC’s collaborative environment is reminiscent of his experience at the University of Bristol where he earned his PhD and experienced that collaborative way of research for the first time.

Day believes that this type of research can help understand how important it is to take into consideration the design of lasers to ensure that they are useful for experiments. Today, Day has already pulled his focus back to the lab where he is currently researching miniaturised laser sources using integrated photonic circuits in ultrawide bandgap materials. However, he hopes that other researchers pick up his tool and continue to test his theories in new environments like a 2-qubit gate. He’s created a template for how to do it, and for Day, the exciting aspect of quantum research is to help motivate fellow researchers to attain the next level of their work.

Limits on atomic qubit from laser noise was published in npj Quantum Information on June 27, 2022.  

This project is supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the Transformative Quantum Technologies (TQT) program.

 

Noisy evolution of a control laser (left) directly imprints errors on qubit evolutions on the Bloch sphere (right), leading to an infidelity in the target final state.

Noisy evolution of a control laser (left) directly imprints errors on qubit evolutions on the Bloch sphere (right), leading to an infidelity in the target final state.

Étudier l’impact des propriétés de bruit d’un laser sur des qubits

Lorsque Matthew Day, associé de recherche à l’Institut d’informatique quantique (IQC), a vu son laboratoire temporairement fermé pendant la pandémie de COVID-19, il s’est trouvé quelque peu dérouté. Que peut faire un expérimentateur sans son équipement? M. Day a saisi cette occasion pour étudier des questions auxquelles il pensait depuis un certain temps. Plus précisément, il voulait savoir comment l’équipement d’un laboratoire affecte les expériences. Les citations de cet article sont traduites de propos qu’il a tenus en anglais.

M. Day a entrepris d’examiner comment les propriétés de bruit d’un laser affectent le contrôle de qubits dans le laboratoire d’ions piégés de Crystal Senko. Avec plusieurs autres chercheurs, il a étudié la structure propre du bruit d’un laser et élaboré un algorithme qui détermine quand une source laser stabilisée est optimisée pour le contrôle quantique de qubits atomiques. Dans le cas d’un laser, le bruit consiste en des fluctuations aléatoires de la lumière émise.

« Si l’on diminue le bruit du laser de contrôle, dit-il, est-ce que cela signifie qu’il risque de moins affecter notre travail? Est-ce possible? La réponse est oui. »

M. Day, qui avait une formation de théoricien, a créé avec ses collaborateurs un outil permettant de savoir quand un laser n’affecte pas une expérience. Il a fait remarquer qu’il s’agit d’une métrique nouvelle, puisque la plupart des chercheurs se concentrent sur la largeur des raies de leurs lasers et de ses effets sur les expériences. Par contre, ce nouvel algorithme donne de l’information sur la qualité du laser utilisé.

« Faut-il acheter un laser meilleur ou différent pour une expérience donnée? demande M. Day. Cet outil vous le dira. Les fabricants de lasers et les universitaires verront l’intérêt de répondre à cette question. »

Matthew Day a mis à l’épreuve l’algorithme en laboratoire, mais il a l’impression que cet outil sera également utile aux chercheurs dans le domaine quantique qui se servent de sources de micro-ondes.

« Les gens savent que c’est un problème, dit M. Day. Mais personne n’a pris le temps de s’en occuper. » Il est heureux que le temps d’arrêt dû à la pandémie de COVID-19 lui ait permis de se concentrer sur cette question, car il croit que cela l’aidera à obtenir de meilleurs résultats expérimentaux en laboratoire.

« Nous butons sur des limites dans nos laboratoires et dans les tests de la capacité de nos équipements, fait-il remarquer. Nous devons comprendre les erreurs qui déterminent ces limites et comment ces erreurs dépendent de la qualité des équipements. »

Alors qu’il envisageait à l’origine de travailler comme théoricien de la gravitation quantique, Matthew Day a découvert pendant ses études qu’il aimait contribuer de manière utile aux recherches sur les qubits contrôlés à l’aide de lasers. Les scientifiques, qu’ils soient expérimentateurs ou théoriciens, ont besoin de comprendre les deux volets de la recherche, et c’est ce à quoi s’emploie M. Day dans ses travaux. Le milieu de collaboration de l’IQC lui rappelle ce qu’il a vécu à l’Université de Bristol, où il a obtenu son doctorat et connu pour la première fois ce type de recherche en collaboration.

M. Day croit que le genre de travaux dont il est question ici peut aider à comprendre l’importance de prendre en considération la conception des lasers afin que ceux-ci soient vraiment utiles pour les expériences effectuées. De retour dans son laboratoire, M. Day cherche à mettre au point des sources laser miniaturisées à l’aide de circuits photoniques intégrés dans des matériaux à bandes interdites ultralarges. Il espère toutefois que d’autres chercheurs adopteront son outil et continueront de tester ses théories dans de nouveaux environnements tels que des portes à 2 qubits. Il a créé un protocole sur la manière de procéder. Selon lui, la partie passionnante de la recherche dans le domaine quantique consiste à contribuer à motiver ses collègues à atteindre le prochain niveau dans leurs travaux.

L’article intitulé Limits on atomic qubit from laser noise (Limites d’un qubit atomique dues au bruit des lasers) a été publié le 27 juin 2022 dans npj Quantum Information.

Ce projet est financé en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC), par l’intermédiaire du programme Technologies quantiques transformatrices.

Les propriétés de bruit d’un laser de contrôle (à gauche) causent directement des erreurs dans l’évolution d’un qubit sur la sphère de Bloch (à droite), ce qui conduit à une inexactitude dans l’état final visé.

Les propriétés de bruit d’un laser de contrôle (à gauche) causent directement des erreurs dans l’évolution d’un qubit sur la sphère de Bloch (à droite), ce qui conduit à une inexactitude dans l’état final visé.