[論文レビュー] Benchmarking Gate Fidelities in a Si/SiGe Two-Qubit Device

Xiao Xue, Thomas F. Watson+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2018

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用数 42

ひとこと要約

この論文は、シリコンスピン量子ビットの標準RB、インタリーブRBバリアントを用いた単一量子ビットおよび二量子ビットゲートの忠実度characterizationを包括的に行い、2-qubit CPhaseゲート忠実度を信頼性高く抽出し、クロストークとエラー相関を分析するためのcharacter randomized benchmarking (CRB)を導入している。

ABSTRACT

We report the first complete characterization of single-qubit and two-qubit gate fidelities in silicon-based spin qubits, including cross-talk and error correlations between the two qubits. To do so, we use a combination of standard randomized benchmarking and a recently introduced method called character randomized benchmarking, which allows for more reliable estimates of the two-qubit fidelity in this system. Interestingly, with character randomized benchmarking, the two-qubit CPhase gate fidelity can be obtained by studying the additional decay induced by interleaving the CPhase gate in a reference sequence of single-qubit gates only. This work sets the stage for further improvements in all the relevant gate fidelities in silicon spin qubits beyond the error threshold for fault-tolerant quantum computation.

研究の動機と目的

• Si/SiGeスピン量子ビットデバイスにおける単一量子ビットおよび二量子ビットゲートの忠実度を特徴づける。
• 2つの量子ビット間のクロストークとエラー相関を評価する。
• 信頼性の高い二量子ビットゲート忠実度を得るためにcharacter randomized benchmarking (CRB)を開発・適用する。
• CPhaseゲート忠実度を分離するためにインタリーブドベンチマーキング手法を評価する。
• シリコンスピン量子ビットのフォールトトレランス閾値と相対した性能ベンチマークを提供する。

提案手法

• 個々の量子ビットに対する標準的なランダムベンチマーキングと同時RBを組み合わせてクロストークを評価する。
• 参照系列内の特定ゲートの忠実度を推定するためにインタリーブRBを使用する。
• CRBを適用してデカップルドデケイチャネルと多量子ビットClifford群を超えるゲート忠実度を抽出する。
• RB系列にCPhaseゲートをインタリーブし、定着化された関係を用いてデポラライジングパラメータからゲート忠実度を計算する。
• CRBを介して3つの減衰チャネルを分析する：2つの単一量子ビットサブスペースと2量子ビットパリティサブスペース。
• CRBフィットから二量子ビットのエラーが独立か相関しているかを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si/SiGeダブルドットデバイスにおけるQ1とQ2の単一量子ビットゲート忠実度はどれくらいか？
• RQ2 同時駆動（クロストーク）は単一量子ビットのゲート忠実度にどのように影響するか？
• RQ3 このシリコンスピン量子ビット系における二量子ビットCPhaseゲートの忠実度はどれくらいか？
• RQ4 CRBは二量子ビット系の異なるエラーチャンネルを信頼性高く分離・定量化できるか？
• RQ5 二量子ビットのエラーは主に各量子ビットで独立か、あるいは量子ビット間で相関しているか？

主な発見

• 孤立状態での単一量子ビットゲート忠実度は約99%: Q1 = 99.20±0.03% および Q2 = 98.79±0.02%。
• 同時の単一量子ビットRBは忠実度をそれぞれQ1で97.67±0.04%、Q2で94.26±0.10%へ低下させ、クロストークの影響を示す。
• 二量子ビットClifford忠実度は82.10±2.75%。
• CRB参照忠実度（同時単一量子ビットClifford操作）は91.9±0.1%。
• CPhaseをインタリーブしたCRBは二量子ビット空間で92.0±0.5%のCPhase忠実度を生む。
• 単一量子ビット空間での予測CPhase忠実度は、制御/ターゲット配置と固有状態に応じて91%から95%の範囲。