[論文レビュー] Experimental implementation of universal holonomic quantum computation on solid-state spins with optimal control

Dong Yang, Shao-Chun Zhang+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 61被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、室温下のダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心を用いた固体スピン系において、高精度で普遍的なホノミック量子ゲートを実現することを示している。最適化された非断熱ホノミック量子計算（NHQC+）スキームを用い、調整されたマイクロ波パルス形状を実装することで、制御誤差やデ coherent に対して耐性を持つ、強固な単一および二量子ビットゲートを達成した。これは、誤り耐性のある幾何的量子計算への重要な前進を示している。

ABSTRACT

Experimental realization of a universal set of quantum logic gates with high-fidelity is critical to quantum information processing, which is always challenging by inevitable interaction between the quantum system and environment. Geometric quantum computation is noise immune, and thus offers a robust way to enhance the control fidelity. Here, we experimentally implement the recently proposed extensible nonadiabatic holonomic quantum computation with solid spins in diamond at room-temperature, which maintains both flexibility and resilience against decoherence and system control errors. Compared with previous geometric method, the fidelities of a universal set of holonomic single-qubit and two-qubit quantum logic gates are improved in experiment. Therefore, this work makes an important step towards fault-tolerant scalable geometric quantum computation in realistic systems.

研究の動機と目的

• 現実的な条件下で固体スピン系において高精度な普遍的量子論理ゲートを達成すること。
• 長時間のゲート時間やデ coherent に弱いという断熱的ホノミック量子計算の限界を克服すること。
• 最近提案された最適制御を用いた非断熱ホノミック量子計算（NHQC+）スキームを、単一および二量子ビットゲートの両方に対して実装し、実験的に検証すること。
• スケーラブルで室温下での運用が可能なプラットフォームにおいて、制御パラメータの変動や系のデ coherent に対して耐性を持つことを示すこと。

提案手法

• NHQC+スキームは、ダイヤモンドNV中心内の電子スピンと核スピンを用いて実装され、電子スピン（S=1）が量子ビットとして機能し、窒素核スピン（I=1）が制御用アーサリアとして機能する。
• 時間依存の振幅と位相を持つマイクロ波パルスを用いて、アーサリア状態|a⟩と量子ビット状態|0⟩、|1⟩との遷移を駆動し、明るい状態|b⟩を形成する。
• 幾何位相は、Bloch球上で立体角を囲む単一ループの遷移経路により誘発され、位相の時間発展はフォン・ノイマン方程式およびβとϕの連立微分方程式に従う。
• 最適制御は、パルスエンVELOPをf = η(2β − sin(2β))として形状化し、ϕ(t = 0) = 0、ϕ(τ/2) = γGを満たすように実装され、誤差感受性を最小化するためη = 0.4が選択された。
• 二量子ビットゲート操作中のデ coherent を抑制するためにダイナミカルデコherence が用いられ、特に長寿命な核スピンの保護がなされた。
• 実装されたゲートのプロセスの高精度な再構築と検証には、最大尤度推定を用いた量子プロセストロポグラフィー（QPT）が用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温下の固体スピン系において、高精度かつ制御誤差に耐性を持つ普遍的ホノミック量子ゲートを実験的に実現できるか？
• RQ2 現実の制御不備を想定した場合、従来の非断熱ホノミックスキームと比較してNHQC+スキームはどのようにゲート精度を向上させるか？
• RQ3 非断熱ホノミックゲートにおいて、ゲート速度、誤差耐性、デ coherent 抑制のバランスを最適化するための最適なパルス形状と制御パラメータ（例：η）は何か？
• RQ4 複雑なエネルギー準位構造と制御の難易度がある固体系においても、二量子ビットホノミックゲートを高精度で実装できるか？
• RQ5 最適制御は、実験的環境における振幅の変動に対して幾何的ゲートの耐性をどの程度向上させるか？

主な発見

• ホノミックXゲートでは97.2%、X/2ゲートでは96.8%のプロセスの高精度が達成され、従来のNHQC手法に比べ顕著に向上した。
• NHQC+スキームは制御振幅誤差に対しても耐性を示し、10%の振幅変動下でも95%以上の高精度を維持した。
• 最適制御パラメータη = 0.4は、系統的誤差感受性を最小化するとともに、短いゲート時間（τ ≈ 200 ns）を維持でき、速度と高精度のバランスを最適化した。
• ダイナミカルデコherenceを用いることで、二量子ビットホノミックゲートが成功裏に実装され、電子スピンの短いコherenct時間にもかかわらず高精度を達成した。
• 量子プロセストロポグラフィーにより、最大尤度推定後の再構築プロセスマトリクスが正定値であることが確認され、ゲート操作の正当性が裏付けられた。
• 本結果は、NHQC+を用いた幾何的量子計算が、現実的で室温下での運用が可能なスケーラブルな固体スピン系において、誤り耐性のある量子情報処理への実現可能性を示している。