[論文レビュー] Modelling semiconductor spin qubits and their charge noise environment for quantum gate fidelity estimation

M. Mohamed El Kordy Shehata, George Simion+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、静電ポテンシャルソルバー、完全配置相互作用（FCI）量子力学、および二準位フラクチュエータ（TLF）モデルを統合した共同モデリングフレームワークを提示し、シリコン二量子ドット（DQD）スピンキュービットにおける電荷ノイズ効果をシミュレートする。高周波の量子ドット封じ込め周波数がゲートの忠実度を向上させることを示しており、10¹¹ cm⁻²のTLF密度下でXゲートの忠実度が97%以上に達する。一方、SWAPゲートは電荷ノイズに対してより感受性が高いため、約91%の忠実度にとどまる。

ABSTRACT

The spin of an electron confined in semiconductor quantum dots is currently a promising candidate for quantum bit (qubit) implementations. Taking advantage of existing CMOS integration technologies, such devices can offer a platform for large scale quantum computation. However, a quantum mechanical framework bridging a device's physical design and operational parameters to the qubit energy space is lacking. Furthermore, the spin to charge coupling introduced by intrinsic or induced Spin-Orbit-Interaction (SOI) exposes the qubits to charge noise compromising their coherence properties and inducing quantum gate errors. We present here a co-modelling framework for double quantum dot (DQD) devices and their charge noise environment. We use a combination of an electrostatic potential solver, full configuration interaction quantum mechanical methods and two-level-fluctuator models to study the quantum gate performance in realistic device designs and operation conditions. We utilize the developed models together alongside the single electron solutions of the quantum dots to simulate one- and two- qubit gates in the presence of charge noise. We find an inverse correlation between quantum gate errors and quantum dot confinement frequencies. We calculate X-gate fidelities >97% in the simulated Si-MOS devices at a typical TLF densities. We also find that exchange driven two-qubit SWAP gates show higher sensitivity to charge noise with fidelities down to 91% in the presence of the same density of TLFs. We further investigate the one- and two- qubit gate fidelities at different TLF densities. We find that given the small size of the quantum dots, sensitivity of a quantum gate to the distance between the noise sources and the quantum dot creates a strong variability in the quantum gate fidelities which can compromise the device yields in scaled qubit technologies.

研究の動機と目的

• 半導体スピンキュービットにおけるデバイス設計とキュービット操作をつなぐ量子力学的モデリングフレームワークの開発。
• 二準位フラクチュエータ（TLF）を用いてモデル化した電荷ノイズが、現実的なシリコン二量子ドット（DQD）デバイスにおける1キュービットおよび2キュービットゲート忠実度に与える影響の定量化。
• 静電ノイズスペクトル密度と量子ゲート不忠実度の相関関係の解明。ノイズ源の空間的ばらつきを考慮した分析。
• ゲート忠実度がTLF密度およびノイズ源と量子ドットとの距離にどのように依存するかの評価。スケーラブルなキュービットアーキテクチャにおける出荷率課題への対応。

提案手法

• 実際のデバイス幾何形状に基づき、Si-MOS二量子ドットにおける現実的な封じ込めポテンシャルを計算する2次元静電ポテンシャルソルバーの採用。
• 多体シュレーディンガー方程式を解くために完全配置相互作用（FCI）法を適用し、交換相互作用およびキュービットエネルギー準位の計算。
• 微視的電荷フラクチュエーションを模擬するため、空間的にランダムに配置された二準位フラクチュエータ（TLF）を用いて電荷ノイズをモデル化。
• TLFからの電場寄与を用いてキュービット周波数シフトを計算し、キュービットの有効ラビ周波数におけるノイズスペクトル密度推定を可能に。
• TLFがゲート操作の間のみスイッチングすると仮定した解析的忠実度モデルを用い、周波数ノイズスペクトル密度の関数として平均Xゲート忠実度を計算。
• ゲート不忠実度のばらつきを評価し、相関トレンドを抽出するために、100通りのランダムなTLF配置について統計解析を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷ノイズが存在する中で、量子ドットの封じ込め周波数は1キュービットゲート忠実度にどのように影響するか？
• RQ2 例えば10¹¹ cm⁻²のTLF密度が、現実的なSi-MOS DQDデバイスにおけるXゲートおよびSWAPゲート忠実度に与える影響は何か？
• RQ3 TLFの量子ドットに対する空間的配置は、ゲート忠実度のばらつきおよびコherenecyにどのように影響するか？
• RQ4 スピンキュービットにおいて、静電ノイズスペクトル密度とキュービット周波数ノイズスペクトル密度の間に単調な関係があるか？
• RQ5 TLFと量子ドットとの距離がゲート忠実度にどのように作用するか。また、スケーラブルな量子コンピューティングアーキテクチャにおける出荷率に与える影響は何か？

主な発見

• 量子ゲート忠実度と電荷ノイズの間には逆相関関係が存在し、高周波の量子ドット封じ込め周波数がゲート性能の向上に寄与する。
• 典型的なTLF密度10¹¹ cm⁻²下で、シミュレートされたSi-MOSデバイスにおけるXゲート忠実度は97%を超える。これは最適な封じ込め下での電荷ノイズに対する高い耐性を示している。
• 交換相互作用によって駆動されるSWAPゲートは、電荷ノイズに対してより感受性が高く、同じTLF密度下で忠実度が約91%に低下する。
• キュービット周波数ノイズスペクトル密度（NQ）は、静電ポテンシャルノイズ（N）と単調で線形な関係を示し、電場効果による3次モーメントのばらつきが排除される。
• 1 Hzにおけるキュービット周波数ノイズスペクトル密度とXゲート不忠実度の間には、べき乗則的相関（R² = 0.433）が観察され、異なるTLF配置によって顕著なばらつきが生じる。
• ノイズ影響の強い空間依存性、特に距離依存結合性が、ゲート忠実度に顕著なばらつきをもたらし、スケーリングされた量子コンピューティングプラットフォームにおける出荷率の課題を生じさせている。