[論文レビュー] Feedback-tuned noise-resilient gates for encoded spin qubits

Pascal Cerfontaine, Tim Botzem+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ガリウムヒ素の二量子ドットに符号化された二電子スピンキュービットにおける高精度な単一キュービットゲートを実現するためのフィードバックチューニング制御プロトコル、GAMBITを提案する。トモグラフィーによるフィードバックを用いて繰り返しパルス誤差を補正することで、著者らは98.5%のゲートfidelityと0.4%のリーク率を達成し、III-V半導体における電荷ノイズおよび核スピンフラクチュエーションに対して耐性を示す。

ABSTRACT

Two level quantum mechanical systems like spin 1/2 particles lend themselves as a natural qubit implementation. However, encoding a single qubit in several spins reduces the resources necessary for qubit control and can protect from decoherence channels. While several varieties of such encoded spin qubits have been implemented, accurate control remains challenging, and leakage out of the subspace of valid qubit states is a potential issue. Here, we realize high-fidelity single qubit operations for a qubit encoded in two electron spins in GaAs quantum dots by iterative tuning of the all-electrical control pulses. Using randomized benchmarking, we find an average gate fidelity of $\mathcal{F} = (98.5 \pm 0.1)\,\%$ and determine the leakage rate between the computational subspace and other states to $\mathcal{L} = (0.4\pm0.1)\,\%$. These results also demonstrate that high fidelity gates can be realized even in the presence of nuclear spins as in III-V semiconductors.

研究の動機と目的

• 非線形性とノイズの影響を受けるため、従来の制御手法が困難であるガリウムヒ素の二量子ドットに符号化された二電子スピンキュービットにおける高精度な単一キュービット操作を達成すること。
• 不完全なパルス形状、非線形伝達関数、およびすべての電気的制御におけるノイズ感度に起因する体系的誤差を是正すること。
• III-V半導体における主要な障害である核スピンフラクチュエーションが存在する中でも、高精度なゲートを実現できることを示すこと。
• トモグラフィー情報に基づいて反復的にゲートパルスをチューニングするフィードバック制御ループ（GAMBIT）を構築・実装し、標準のランダム化ベンチマーキングを上回る収束性能を実現すること。
• 計算サブスペース（s_z = 0）からのリーク（非計算的トリプレット状態への遷移）を定量的に評価し、符号化キュービットの安定性の重要な指標として最小限に抑えること。

提案手法

• 著者らは、電気的デチューニングεを介して交換相互作用J(ε)を操作するベースバンドパルスを用い、(1,1)電荷状態における完全な電気的単一キュービット操作を実現する。
• 交換結合の非線形的依存性をシミュレートするため、数値モデルとしてJ(ε) = J₀ exp(ε/ε₀)が用いられ、パルス設計に反映される。
• GAMBITフィードバックループは、誤差シンディームのトモグラフィー測定を反復的に用いて制御パルスをチューニングし、理想状態からのずれを最小化する。
• 平均化された読み出し電圧を用いて状態確率を推定し、混合状態およびトリプレット状態の基準電圧を設定することで誤差信号をキャリブレーションする。
• ゲートfidelityとリーク率を測定するためにランダム化ベンチマーキング（RB）が用いられ、特にT₊およびT₋状態へのサブスペースリークを特徴づけることに焦点を当てる。
• 任意波形発生器とデジタイザを用い、バイアステークを介してパルス歪みを最小限に抑え、状態準備と測定は断熱的電荷-スピンマッピングによって実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形性とノイズの影響を受けるガリウムヒ素量子ドットに符号化された二電子スピンキュービットにおいて、すべての電気的制御を用いて高精度な単一キュービットゲートを達成できるか？
• RQ2 核スピンフラクチュエーションおよび電荷ノイズは、ガリウムヒ素ベースのスピンキュービットにおけるゲートfidelityをどの程度制限するか？ また、最適なゲート設計によってこれらを緩和できるか？
• RQ3 トモグラフィー誤差信号に基づくフィードバックループ（GAMBIT）は、標準のランダム化ベンチマーキングに基づくフィードバックを上回る収束性およびfidelity向上を達成できるか？
• RQ4 計算サブスペース（s_z = 0）からの実際のリーク率はどの程度で、ゲート性能にどのような影響を及えるか？
• RQ5 この系において、測定されたfidelityは電荷ノイズか核スピンフラクチュエーションのどちらによって主に制限されているのか？ また、ゲート設計におけるノイズキャンセリングの役割は何か？

主な発見

• ランダム化ベンチマーキングを用いて平均98.5% ± 0.1%のゲートfidelityを達成し、固体状態スピンキュービットにおける高精度な制御を実証した。
• 計算サブスペース（s_z = 0）からのリーク率は0.4% ± 0.1%と測定され、サブスペース保護の強さを示している。
• 電荷ノイズが不正確性の主因であると特定されたが、最適化されたゲートパルスによるノイズキャンセリングのおかげで、核スピンフラクチュエーションの影響は驚くほど弱い。
• GAMBITフィードバックループはトモグラフィー情報を利用することで、パrameter空間および収束速度において、標準のRBベースのフィードバックを上回る高精度なパルスに収束した。
• 核スピンフラクチュエーションが存在する中でも、この系は高いfidelityを維持しており、III-V半導体が高精度な符号化キュービットをサポートできることを示している。
• 測定されたfidelityおよびリーク値はSPAM誤差に対して頑健であり、ベンチマーキングシーケンスにおける漸近的スイングル確率が0.36であるのを確認したことで、リークが崩壊の主因であることが裏付けられた。