[論文レビュー] Concatenated continuous driving of silicon qubit by amplitude and phase modulation

Takuma Kuno, Takeru Utsugi+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2026

Quantum and electron transport phenomena被引用数 0

ひとこと要約

CMCCDは振幅と位相の両方を調整して第一回転フレームで円偏光を作り出し、第二回転フレームの反回転成分を打ち消すことで、シミュレーションとシリコンスピン量子ビット実験における頑健性とゲート忠実度を向上させる。

ABSTRACT

The rate of coherence loss is lower for a qubit under Rabi drive compared to a freely evolving qubit, $T_{2}^{ m{Rabi}}>T_{2}^*$. Building on this principle, concatenated continuous driving (CCD) keeps the qubit under continuous drive to suppress noise and manipulate dressed states by either phase or amplitude modulation. In this work, we propose a new variant of CCD which simultaneously modulates both the amplitude and phase of the driving field to generate a circularly-polarized field in the rotating frame of the carrier frequency. This circular-modulated (CM)-CCD cancels the counter-rotating term in the second rotating frame, eliminating a systematic pulse-area error that arises from an imperfect rotating wave approximation for fast gates. Numerical simulations demonstrate that the proposed CMCCD achieves higher gate fidelity than conventional CCD schemes. We further implement and compare different CCD protocols using an electron spin-qubit in an isotopically purified $^{28}$Si-MOS quantum dot and evaluate its robustness by applying static detuning and Rabi frequency errors. The robustness is significantly improved compared to standard Rabi-drive, showing the effectiveness of this scheme for qubit arrays with variation in qubit frequency, coupling to Rabi drive, and low frequency noise. The proposed scheme can be applied to various physical systems, including trapped atoms, cold atoms, superconducting qubits, and NV-centers.

研究の動機と目的

• 大規模な量子ビット配列における低周波ノイズとドライブ場の不均一性の下で、頑健な量子ビット制御を動機づける。
• 同時振幅・位相変調により counter-rotating terms を打ち消す CCD バリアントを開発する。
• 第一回転フレームで円偏波駆動を実現し、ゲート忠実度を改善する。
• 同位体純化28Si-MOSシリコンクォンタムドットでCMCCDを実験的に検証し、AMCCD/PMCCDと比較する。
• デチューニングとRabi周波数誤差に対する頑健性を評価し、 randomized benchmarking で性能を評価する。

提案手法

• 振幅と位相変調を含む一般化CCD駆動ハミルトニアンを提案し、パラメータ αA および αP（αA+αP=1）を導入する。
• CMCCD（αA=αP=1/2）は第一回転フレームで円偏光を与え、第二回転フレームの counter-rotating term を打ち消す。
• 第二回転フレームのハミルトニアンを導出し、共回転項と反回転項を同定する；RWAと変調を用いて誤差を抑制する。
• I/Q変調付きESRを用いて、同位体純化28Si-MOS量子ドットの単一電子スピン量子ビットにCMCCDを実験的に実装する。
• CMCCD、AMCCD、PMCCDを、デチューニングとRabi誤差の下でチェボロンパターン、ラビ振動、フーリエスペクトル、 randomized benchmarking を比較する。
• y-ゲート、ラムゼイ、二軸制御の実証を通じてCMCCDにおける二重被覆量子ビット制御を評価する。

Figure 1: Polarization of drive field for different CCD schemes. To control the qubit, a drive field resonant with the Larmor frequency $\omega_{\rm{L}}$ is applied. In most cases, the applied drive field is linearly polarized, which is a superposition of co and counter rotating circularly polarized

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMCCD（振幅と位相の同時変調）は第二回転フレームの counter-rotating 項を打ち消すか。
• RQ2 デチューニングとRabi誤差下で、CMCCDはゲート忠実度をAMCCDおよびPMCCDと比較して改善するか。
• RQ3 bare および double-dressed 量子ビットの低周波ノイズとドライブ場変動に対する頑健性をCMCCDは向上させるか。
• RQ4 CMCCDがシリコンスピン量子ビットのチェボロンパターンとラビ振動のフーリエスペクトルに与える影響は。
• RQ5 周波数とドライブの不均一性を伴う大規模な量子ビット配列で、CMCCDの性能は有利か。

主な発見

• CMCCDは第一回転フレームで円偏光駆動を生み出し、第二回転フレームの counter-rotating 項を打ち消す。
• CMCCDは従来のCCD方式よりも高速ゲートに対するシミュレーションで高いゲート忠実度を示す。
• 28Si-MOSシリコンドットでの実験では、CCD方式が階段状のチェボロンパターンとデチューニングおよびRabi誤差に対する頑健性を示す。
• CMCCDは bare qubits に対して頑健性を向上させ、AMCCDとPMCCDは残存する counter-rotating 項を示す。
• Randomized benchmarking は CCD方式がデチューニングとRabi誤差に対する頑健性を高めることを示す一方で、特定の高周波ノイズ条件下では基礎忠実度が向上しない場合がある。
• CMCCDは二重被覆量子ビットの制御とCMCCD方式における二軸制御を実証する。

Figure 2: Quantum state trajectories of the bare qubit and CCD-protected qubits under (a) detuning error and (b) Rabi error. Modulation parameters are set to $\epsilon_{\rm{m}}=\Omega_{0}/4$ , $\theta_{\rm{m}}=\pi/2$ , and $\phi_{\rm{mw}}=0$ . Red lines trace the evolution of the quantum states over