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.

A sequence of single photons is emitted on demand from a single three-level atom strongly coupled to a high-finesse optical cavity. The photons are generated by an adiabatically driven stimulated Raman transition between two atomic ground states, with the vacuum field of the cavity stimulating one branch of the transition, and laser pulses deterministically driving the other branch. This process is unitary and therefore intrinsically reversible, which is essential for quantum communication and networking, and the photons should be appropriate for all-optical quantum information processing.

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.

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.