[論文レビュー] Fast universal quantum control above the fault-tolerance threshold in silicon

Akito Noiri, Kenta Takeda+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、マイクロマグネットによって誘導される勾配磁場と可調式二量子ビット結合を用いた高速な電気的制御により、シリコンスピン量子ビットにおけるユニバーサル量子ゲートのゲート保全度が故障耐性閾値を超えることを示した。単一量子ビットゲートの保全度は99.8%に達し、二量子ビットゲートの保全度は99.5%に達し、表面コード誤り訂正に必要な要件を満たすことで、スケーラブルな量子計算に向けた高精度な量子アルゴリズム実装が可能になった。

ABSTRACT

Fault-tolerant quantum computers which can solve hard problems rely on quantum error correction. One of the most promising error correction codes is the surface code, which requires universal gate fidelities exceeding the error correction threshold of 99 per cent. Among many qubit platforms, only superconducting circuits, trapped ions, and nitrogen-vacancy centers in diamond have delivered those requirements. Electron spin qubits in silicon are particularly promising for a large-scale quantum computer due to their nanofabrication capability, but the two-qubit gate fidelity has been limited to 98 per cent due to the slow operation.Here we demonstrate a two-qubit gate fidelity of 99.5 per cent, along with single-qubit gate fidelities of 99.8 per cent, in silicon spin qubits by fast electrical control using a micromagnet-induced gradient field and a tunable two-qubit coupling. We identify the condition of qubit rotation speed and coupling strength where we robustly achieve high-fidelity gates. We realize Deutsch-Jozsa and Grover search algorithms with high success rates using our universal gate set. Our results demonstrate the universal gate fidelity beyond the fault-tolerance threshold and pave the way for scalable silicon quantum computers.

研究の動機と目的

• 従来98%までに制限されていたシリコンスピン量子ビットにおける二量子ビットゲート保全度の限界を克服し、故障耐性のある量子計算を可能にする。
• 表面コード誤り訂正に必要な99%の閾値を超えるゲート保全度を達成することで、シリコンベースの量子ビットにおけるユニバーサル量子制御を実現する。
• スケーラブルなシリコンプラットフォーム上で、ユニバーサルゲートセットを用いた高精度な量子アルゴリズム実装を実証する。
• 高精度な二量子ビット操作を実現するための、量子ビット回転速度と結合強度の最適な条件を同定する。

提案手法

• マイクロマグネットを用いて空間的に変化する磁場勾配を生成し、シリコン内の電子スピン量子ビットの高速な電気的制御を可能にする。
• ゲート定義された量子ドットを用いて、可調式の二量子ビット結合を実装し、相互作用強度を動的に調整する。
• 最適化された電気パルスを用いて、デ coherent と制御誤差を最小限に抑えた高精度な単一および二量子ビットゲートを実行する。
• ゲートパラメータをキャリブレーションし、量子ビット回転速度と結合強度のバランスをとることで、制御不備に対して頑健な性能を確保する。
• ランダム化ベンチマークを用いてゲート保全度を検証し、量子アルゴリズム（Deutsch-JozsaおよびGrover探索）を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速な電気的制御と可調式結合を用いることで、シリコンスピン量子ビットにおける二量子ビットゲート保全度を99%以上に向上させることは可能か？
• RQ2 高精度なユニバーサル量子ゲートを実現するための、量子ビット回転速度と結合強度の最適な運用条件は何か？
• RQ3 故障耐性閾値を超える保全度を持つユニバーサルゲートセットを、シリコンベースのスピン量子ビットプラットフォームで実現できるか？
• RQ4 このゲートセットを用いて、シリコン上で高精度な量子アルゴリズムを実際に実行できるか？

主な発見

• 二量子ビットゲート保全度は実験的に99.5%に達し、表面コードベースの誤り訂正に必要な99%の閾値を超えた。
• 単一量子ビットゲート保全度は99.8%に達し、ユニバーサル量子計算に不可欠な高精度な単一量子ビット操作が実現された。
• Deutsch-JozsaおよびGrover探索アルゴリズムの実装が高精度で成功し、ゲートセットのユニバーサル性と信頼性が確認された。
• 量子ビット回転速度と結合強度のバランスをとることで、高精度なゲートが維持される頑健な運用領域が同定された。