[論文レビュー] Assessment of error variation in high-fidelity two-qubit gates in silicon

Tuomo Tanttu, Wee Han Lim+25 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2023

Semiconductor materials and devices参考文献 49被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、IRB、GST、および高速ベイズ・トモグラフィーを用いてSiMOS量子ドットの高忠実度2量子ビットゲートの一貫性を定量化し、複数デバイスと長時間運用を通じてゲート忠実度を96.8%から99.8%まで達成した。

ABSTRACT

Achieving high-fidelity entangling operations between qubits consistently is essential for the performance of multi-qubit systems and is a crucial factor in achieving fault-tolerant quantum processors. Solid-state platforms are particularly exposed to errors due to materials-induced variability between qubits, which leads to performance inconsistencies. Here we study the errors in a spin qubit processor, tying them to their physical origins. We leverage this knowledge to demonstrate consistent and repeatable operation with above 99% fidelity of two-qubit gates in the technologically important silicon metal-oxide-semiconductor (SiMOS) quantum dot platform. We undertake a detailed study of these operations by analysing the physical errors and fidelities in multiple devices through numerous trials and extended periods to ensure that we capture the variation and the most common error types. Physical error sources include the slow nuclear and electrical noise on single qubits and contextual noise. The identification of the noise sources can be used to maintain performance within tolerance as well as inform future device fabrication. Furthermore, we investigate the impact of qubit design, feedback systems, and robust gates on implementing scalable, high-fidelity control strategies. These results are achieved by using three different characterization methods, we measure entangling gate fidelities ranging from 96.8% to 99.8%. Our analysis tools identify the causes of qubit degradation and offer ways understand their physical mechanisms. These results highlight both the capabilities and challenges for the scaling up of silicon spin-based qubits into full-scale quantum processors.

研究の動機と目的

• シリコンMOS量子ドット量子ビットのエンタングリング2量子ビットゲートの時間的およびデバイス間の一貫性を評価する。
• デバイス設計と材料背景から生じる物理的誤りメカニズムを特定する。
• ゲート検証手法（IRB、GST、FBT）を用いたゲート性能の特徴付けの有効性を評価する。
• 長時間および複数デバイスにわたる継続的な高忠実度運用を示す。
• 制御戦略を観測される誤り源と結びつけてスピン量子ビットのスケーリング戦略に情報を提供する。

提案手法

• 隣接ドット間の交換を調整する介在Jゲートを用いて交換ベースのエンタングリングゲートを実装する。
• 単一パルスCZとパルス間デコヒーレンスを備えた複合DCZゲートの2つのゲート戦略を比較する。
• IRB、GST、およびFBTで誤差を特徴づける。
• 5つの原始ゲートX^{π/2}_{1}, X^{π/2}_{2}, Z^{π/2}_{1}, Z^{π/2}_{2}, およびCZ/DCZのゲートセットを構築する。
• ハミルトニアン（コヒーレント）と確率論的（非コヒーレント）誤差を分離し、物理的起源を特定する。
• 遅いドリフトを緩和するフィードバックを含む、レイアウトと同位体純化の異なる3デバイス（A、B、C）でテストする。

Figure 1 : Electrostatic quantum dots with tunable exchange. a , False color scanning electron micrograph (SEM) of a device similar to A and B. b , False color transmission electron micrograph (TEM) of a cross-section of a device similar to A and B. Shaded area shows the extension of electron wave f

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiMOSデバイスにおける時間およびデバイス間での二量子ビットゲートの忠実度レベルと誤差特性はどのようか。
• RQ2 異なるゲート検証手法（IRB、GST、FBT）は忠実度の推定と誤り機構の診断においてどの程度比較可能か。
• RQ3 これらのシリコンスピン量子ビットで二量子ビットおよび単一量子ビットの誤差を支配する物理的源（デフェージング、スタークシフト、クロストーク、1/fノイズ）は何か。
• RQ4 高忠実度のエンタングリングゲート（≥99%）を長時間の運用およびデバイスのばらつきにわたって維持できるか。
• RQ5 ゲート設計とフィードバックはスピン量子ビット制御のスケーラビリティとロバスト性にどう影響するか。

主な発見

• 二量子ビットゲートの忠実度はデバイスと検証手法をまたいで96.8%から99.8%の範囲にある。
• 平均IRB二量子ビット忠実度はAで98.4%、Bで99.37%、Cで99.78%である。
• ゲート誤差解析はハミルトニアン誤差と確率論的誤差を区別し、DCZはIZ/Z Iを低減し、デバイスBで位相シフトのエコーにより確率論的誤差を低減する。
• GSTは単一量子ビットゲートのオンターゲット忠実度が高いことを示すが、スペクテータークォンタのデフェージングとクロストークが全体のゲート性能を支配する。
• FBTは長時間の実行でゲート忠実度を示す；いくつかのケースでは挿入DCZが安定性を改善し位相補正を回避した。
• 3デバイス全体で、MOSシリコンスピン量子は総じて99%を超える二量子ビットゲート忠実度を達成しており、 studied periodでのIRB平均は99.17%、標準偏差0.56%である。

Figure 2 : Results of error characterisation methods. a , Measurement sequence principle used in randomised benchmarking. The gate of interest is interleaved with random Clifford gates that are composed of five primitive gates each. b , Simplified fast Bayesian tomography workflow from experiment to