[論文レビュー] High-fidelity two-qubit gates in silicon above one Kelvin

Luca Petit, Maximilian Russ+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2020

Quantum and electron transport phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、1 Kを超える温度で動作するシリコン二重量子ドットを用いて、駆動回転とパルス状交差相互作用を組み合わせたハイブリッド手法を用い、高精度な2キュービット量子ゲート（CROT、CPHASE、SWAP）を実証した。著者らはノイズモデルを考慮した結果、CPHASEおよびSWAPゲートのゲートfidelityが99%を超えることを達成し、故障耐性のある量子操作が可能であり、高温下での古典的制御エレクトロニクスと統合可能な可能性を示した。

ABSTRACT

Spin qubits in quantum dots define an attractive platform for scalable quantum information because of their compatibility with semiconductor manufacturing, their long coherence times, and the ability to operate at temperatures exceeding one Kelvin. Qubit logic can be implemented by pulsing the exchange interaction or via driven rotations. Here, we show that these approaches can be combined to execute a multitude of native two-qubit gates in a single device, reducing the operation overhead to perform quantum algorithms. We demonstrate, at a temperature above one Kelvin, single-qubit rotations together with the two-qubit gates CROT, CPHASE and SWAP. Furthermore we realize adiabatic, diabatic and composite sequences to optimize the qubit control fidelity and the gate time. We find two-qubit gates that can be executed within 67 ns and by theoretically analyzing the experimental noise sources we predict fidelities exceeding 99%. This promises fault-tolerant operation using quantum hardware that can be embedded with classical electronics for quantum integrated circuits.

研究の動機と目的

• 1 Kを超える温度でシリコンベースのスピンキュービットを用いた高精度な2キュービット量子ゲートの実証。
• CROT、CPHASE、SWAPの複数のネイティブ2キュービットゲートを1つのデバイスに統合し、量子アルゴリズムのオーバーヘッドを低減すること。
• 断熱的、非断熱的、および複合パルスシーケンスを用いて、ゲートfidelityと速度を最適化すること。
• 特に1/fノイズを含むノイズの下でも、99%を超えるfidelityを達成することで、故障耐性のある量子計算を可能にすること。
• 高温下での動作と高精度なゲート制御を組み合わせ、スケーラブルな量子統合回路を実現し、オンチップの古典的制御を支援すること。

提案手法

• 実験では、デチューニング（ε）とトンネル結合（t）をプラッパーおよびバリアゲートで調整可能なシリコン二重量子ドットを用い、交差相互作用（J）の制御を可能にした。
• 1キュービット回転はオンチップでの電子スピン共鳴（ESR）によって実装されたが、2キュービットゲートはパルス状交差と駆動回転の組み合わせによって実現された。
• CROTゲートは、交差相互作用とゼーマン分裂の変調により、4つの共鳴周波数すべてで実行され、最適制御を得るためにゲート時間の調整が行われた。
• CPHASEゲートは、交差相互作用が2キュービット間のゼーマンエネルギー差に比べて非常に小さい条件下で実装され、状態依存のラビ振動を利用した。
• SWAPゲートは、断熱的および非断熱的パルスを含む複合パルスシーケンスを用いて実現され、総パルス長さがfidelityを最大化するために最適化された。
• ノイズモデルでは、1/fノイズが主なデ coherent 要因とされ、fidelityは理想状態と現実的なノイズ条件の両方でシミュレートされ、性能予測がなされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 Kを超える温度でシリコンスピンキュービットを用いた高精度な2キュービットゲートを実装可能か？
• RQ2 ハイブリッド制御方式を用いて、1つのデバイス内でCROT、CPHASE、SWAPの複数のネイティブ2キュービットゲートを実現可能か？
• RQ3 断熱的、非断熱的、および複合パルスシーケンスは、1/fノイズの存在下でゲートfidelityとゲート時間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 現実的なノイズ源をモデルに組み込んだ場合、2キュービットゲートの予測fidelityはどの程度か？
• RQ5 高温動作と高精度なゲート制御の組み合わせにより、オンチップの古典的制御を備えたスケーラブルな量子統合回路が実現可能か？

主な発見

• CROTゲートは測定で86%のfidelityを達成し、1/fノイズモデルを考慮した予測fidelity（89%）と非常に近い値であった。
• CPHASEゲートは現実的なノイズ条件の下で99%を超えるfidelityを予測しており、ゲート時間は67 nsであった。
• SWAPゲートは実験的に90%を超えるfidelityを達成したが、主な誤差要因はキャリブレーションのずれ、SPAM誤差、有限のゼーマン分裂とされた。
• SWAPおよび非断熱的CPHASEゲートのための複合パルスシーケンスは、fidelityが99%を超えることが予測され、ノイズへの感受性が顕著に低減された。
• 本研究では、2キュービットゲートが67 ns以内に実行可能であることを示し、1 Kを超える温度で高速な量子論理操作が可能であることを確認した。
• 理論的解析により、ノイズを考慮した場合でも、最適化されたパルスシーケンスを用いることで、故障耐性のある量子計算が可能であることが確認された。