We report the creation of Greenberger-Horne-Zeilinger states with up to 14 qubits. By investigating the coherence of up to 8 ions over time, we observe a decay proportional to the square of the number of qubits. The observed decay agrees with a theoretical model which assumes a system affected by correlated, Gaussian phase noise. This model holds for the majority of current experimental systems developed towards quantum computation and quantum metrology.

The control of quantum systems is of fundamental scientific interest and promises powerful applications and technologies. Impressive progress has been achieved in isolating the systems from the environment and coherently controlling their dynamics, as demonstrated by the creation and manipulation of entanglement in various physical systems. However, for open quantum systems, engineering the dynamics of many particles by a controlled coupling to an environment remains largely unexplored. Here we report the first realization of a toolbox for simulating an open quantum system with up to five qubits. Using a quantum computing architecture with trapped ions, we combine multi-qubit gates with optical pumping to implement coherent operations and dissipative processes. We illustrate this engineering by the dissipative preparation of entangled states, the simulation of coherent many-body spin interactions and the quantum non-demolition measurement of multi-qubit observables. By adding controlled dissipation to coherent operations, this work offers novel prospects for open-system quantum simulation and computation.

Optical frequency combs enable coherent data transmission on hundreds of wavelength channels and have the potential to revolutionize terabit communications. Generation of Kerr combs in nonlinear integrated microcavities represents a particularly promising option enabling line spacings of tens of GHz, compliant with wavelength-division multiplexing (WDM) grids. However, Kerr combs may exhibit strong phase noise and multiplet spectral lines, and this has made high-speed data transmission impossible up to now. Recent work has shown that systematic adjustment of pump conditions enables low phase-noise Kerr combs with singlet spectral lines. Here we demonstrate that Kerr combs are suited for coherent data transmission with advanced modulation formats that pose stringent requirements on the spectral purity of the optical source. In a first experiment, we encode a data stream of 392 Gbit/s on subsequent lines of a Kerr comb using quadrature phase shift keying (QPSK) and 16-state quadrature amplitude modulation (16QAM). A second experiment shows feedback-stabilization of a Kerr comb and transmission of a 1.44 Tbit/s data stream over a distance of up to 300 km. The results demonstrate that Kerr combs can meet the highly demanding requirements of multi-terabit/s coherent communications and thus offer a solution towards chip-scale terabit/s transceivers.

Gauge theories are fundamental to our understanding of interactions between the elementary constituents of matter as mediated by gauge bosons. However, computing the real-time dynamics in gauge theories is a notorious challenge for classical computational methods. In the spirit of Feynman's vision of a quantum simulator, this has recently stimulated theoretical effort to devise schemes for simulating such theories on engineered quantum-mechanical devices, with the difficulty that gauge invariance and the associated local conservation laws (Gauss laws) need to be implemented. Here we report the first experimental demonstration of a digital quantum simulation of a lattice gauge theory, by realising 1+1-dimensional quantum electrodynamics (Schwinger model) on a few-qubit trapped-ion quantum computer. We are interested in the real-time evolution of the Schwinger mechanism, describing the instability of the bare vacuum due to quantum fluctuations, which manifests itself in the spontaneous creation of electron-positron pairs. To make efficient use of our quantum resources, we map the original problem to a spin model by eliminating the gauge fields in favour of exotic long-range interactions, which have a direct and efficient implementation on an ion trap architecture. We explore the Schwinger mechanism of particle-antiparticle generation by monitoring the mass production and the vacuum persistence amplitude. Moreover, we track the real-time evolution of entanglement in the system, which illustrates how particle creation and entanglement generation are directly related. Our work represents a first step towards quantum simulating high-energy theories with atomic physics experiments, the long-term vision being the extension to real-time quantum simulations of non-Abelian lattice gauge theories.

A digital quantum simulator is an envisioned quantum device that can be pro- grammed to efficiently simulate any other local system. We demonstrate and investigate the digital approach to quantum simulation in a system of trapped ions. Using sequences of up to 100 gates and 6 qubits, the full time dynamics of a range of spin systems are digitally simulated. Interactions beyond those naturally present in our simulator are accurately reproduced and quantitative bounds are provided for the overall simulation quality. Our results demon- strate the key principles of digital quantum simulation and provide evidence that the level of control required for a full-scale device is within reach.

Reducing quantum overhead A quantum computer is expected to outperform its classical counterpart in certain tasks. One such task is the factorization of large integers, the technology that underpins the security of bank cards and online privacy. Using a small-scale quantum computer comprising five trapped calcium ions, Monz et al. implement a scalable version of Shor's factorization algorithm. With the function of ions being recycled and the architecture scalable, the process is more efficient than previous implementations. The approach thus provides the potential for designing a powerful quantum computer, but with fewer resources. Science , this issue p. 1068

The construction of a quantum computer remains a fundamental scientific and technological challenge, in particular due to unavoidable noise. Quantum states and operations can be protected from errors using protocols for fault-tolerant quantum computing (FTQC). Here we present a step towards this by implementing a quantum error correcting code, encoding one qubit in entangled states distributed over 7 trapped-ion qubits. We demonstrate the capability of the code to detect one bit flip, phase flip or a combined error of both, regardless on which of the qubits they occur. Furthermore, we apply combinations of the entire set of logical single-qubit Clifford gates on the encoded qubit to explore its computational capabilities. The implemented 7-qubit code is the first realization of a complete Calderbank-Shor-Steane (CSS) code and constitutes a central building block for FTQC schemes based on concatenated elementary quantum codes. It also represents the smallest fully functional instance of the color code, opening a route towards topological FTQC.

An error correction algorithm is applied multiple times to a small quantum system.

Gates acting on more than two qubits are appealing as they can substitute complex sequences of two-qubit gates, thus promising faster execution and higher fidelity. One important multiqubit operation is the quantum Toffoli gate that performs a controlled NOT operation on a target qubit depending on the state of two control qubits. Here we present the first experimental realization of the quantum Toffoli gate in an ion trap quantum computer, achieving a mean gate fidelity of 71(3)%. Our implementation is particularly efficient as the relevant logic information is directly encoded in the motion of the ion string.