[論文レビュー] Fast high-fidelity entangling gates in Si double quantum dots

F. A. Calderon-Vargas, George S. Barron+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2019

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、シリコン二重量子ドットにおける高精度な2キュービットゲートのための解析的設計制御パルスを提示しており、CNOTおよびCZゲートを99.99％以上の精度で実現し、27ナノ秒という短いゲート時間で動作させる。シンプルな方形パルスを用いることで、低周波数ノイズ下でもロバストで高速なエンタングル操作を可能にする。この手法は、系の発展演算子の局所的不変量を活用することで実現される。

ABSTRACT

Implementing high-fidelity two-qubit gates in single-electron spin qubits in silicon double quantum dots is still a major challenge. In this work, we employ analytical methods to design control pulses that generate high-fidelity entangling gates for quantum computers based on this platform. Using realistic parameters, we present simple control pulses that generate CNOT, CPHASE, and CZ gates with average fidelities greater than 99.99% and gate times as short as 45 ns. Moreover, using the local invariants of the system's evolution operator, we show that a simple square pulse generates a CNOT gate in less than 27 ns and with a fidelity greater than 99.99%. Last, we use the same analytical methods to generate two-qubit gates locally equivalent to $\sqrt{CNOT}$ and $\sqrt{CZ}$ that are used to implement simple two-piece pulse sequences that produce high-fidelity CNOT and CZ gates in the presence of low-frequency noise.

研究の動機と目的

• シリコン二重量子ドット内の単一電子スピンキュービットにおける高精度2キュービットゲートの実装という課題に対処すること。
• 現実的な系パラメータを用いて、近似的に完璧なゲート精度を達成するシンプルで高速な制御パルスの設計。
• 系の発展演算子の局所的不変量を活用して、パルス設計を簡素化し、低周波数ノイズに対する耐性を向上させること。
• CNOT、CZ、CPHASEおよびそれらの平方根のような高速で高精度なエンタングルゲートを、解析的に導出されたパルスシーケンスを用いて実現すること。

提案手法

• 系の発展演算子の局所的不変量を用いた制御パルスの解析的導出により、ゲート設計を簡素化する。
• CNOTゲートを27ナノ秒未満で実現するシンプルな方形パルスの設計。その際、精度は99.99％以上。
• 同様の解析的フレームワークを用いて、√CNOTおよび√CZに局所的に等価なゲートを生成し、2段階パルスシーケンスに応用する。
• 局所的不変量を用いて、低周波数ノイズ下でもゲート操作のロバスト性を確保する。
• 制御の複雑性を最小限に抑えたパルスシーケンスの実装により、高精度なCNOTおよびCZゲートを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 解析的制御パルス設計により、最小限のゲート時間でシリコン二重量子ドットにおける高精度2キュービットゲートを達成できるか？
• RQ2 系の発展演算子の局所的不変量をどのように活用すれば、パルス生成の簡素化とゲート精度の向上が可能になるか？
• RQ3 CNOTおよびCZゲートの最小ゲート時間は、99.99％以上の精度を維持した状態でどの程度達成できるか？
• RQ4 複雑なパルスシェーピングを用いずに、シンプルな方形パルスで高精度なエンタングル操作を達成できるか？
• RQ5 提案手法は、2キュービットゲート操作における低周波数ノイズに対する耐性をどのように向上させるか？

主な発見

• シンプルな制御パルスを用いて、平均精度が99.99％を超えるCNOTおよびCZゲートを達成した。
• 1つの方形パルスを用いて、27ナノ秒未満でCNOTゲートを実現し、精度は99.99％を超えた。
• 解析的に設計されたパルスを用いて、CNOT、CPHASE、CZゲートのゲート時間を45ナノ秒まで短縮した。
• √CNOTおよび√CZゲートに基づく2段階パルスシーケンスにより、低周波数ノイズ下でも高精度なCNOTおよびCZ操作を実現した。
• 局所的不変量の使用により、ノイズ環境下でも高精度を維持するロバストなゲート設計が可能になった。