[論文レビュー] Precision tomography of a three-qubit electron-nuclear quantum processor in silicon

Mateusz Mądzik, Serwan Asaad|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 64被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、イオンドーピングされた31P核を用いたシリコンベースの3キュービット電子核量子プロセッサにおいて、高精度な普遍的量子論理操作を実証している。共通の電子スピンを介して幾何位相制御Zゲートを実現することで、2キュービットゲートの精度が99.21(14)%に達し、3キュービットのグリーンバーガー＝ホルン＝ツァイルラー（GHZ）状態を92.5(1.0)%の精度で準備した。これにより、シリコン中の核スピンがフォールトトレランス量子計算のスケーラブルなプラットフォームとして確立された。

ABSTRACT

Nuclear spins were among the first physical platforms to be considered for quantum information processing, because of their exceptional quantum coherence and atomic-scale footprint. However, their full potential for quantum computing has not yet been realized, due to the lack of methods to link nuclear qubits within a scalable device combined with multi-qubit operations with sufficient fidelity to sustain fault-tolerant quantum computation. Here we demonstrate universal quantum logic operations using a pair of ion-implanted 31P nuclei in a silicon nanoelectronic device. A nuclear two-qubit controlled-Z gate is obtained by imparting a geometric phase to a shared electron spin, and used to prepare entangled Bell states with fidelities up to 94.2(2.7)%. The quantum operations are precisely characterised using gate set tomography (GST), yielding one-qubit gate fidelities up to 99.93(3)%, two-qubit gate fidelity of 99.21(14)% and two-qubit preparation/measurement fidelities of 98.95(4)%. These three metrics indicate that nuclear spins in silicon are approaching the performance demanded in fault-tolerant quantum processors. We then demonstrate entanglement between the two nuclei and the shared electron by producing a Greenberger-Horne-Zeilinger three-qubit state with 92.5(1.0)% fidelity. Since electron spin qubits in semiconductors can be further coupled to other electrons or physically shuttled across different locations, these results establish a viable route for scalable quantum information processing using nuclear spins.

研究の動機と目的

• 核スピンをキュービットとして用いるスケーラブルなシリコンベース量子プロセッサにおいて、高精度で普遍的な量子論理操作を達成すること。
• スケーラブルなデバイスアーキテクチャにおいて、核キュービットを高精度の2キュービットゲートで接続する課題を克服すること。
• 2つの核スピンと共通の電子スピンの間のエンタングルメントを実証し、3キュービットのエンタングルド状態を形成すること。
• ゲートセットトモグラフィー（GST）を用いて量子操作を正確に特徴づけ、フォールトトレランス量子計算に必要な性能を検証すること。

提案手法

• qubitとしてシリコンナノエレクトロニクスデバイス内にイオンドーピングされた31P核を用い、共通の電子スピンを量子バスとして利用する。
• 動的交換結合を介して、共通の電子スピン上での幾何位相の蓄積により、2キュービットの制御Zゲートを実装する。
• ゲートセットトモグラフィー（GST）を用いて、1キュービットおよび2キュービットゲート、状態準備、測定を高精度で完全に特徴づける。
• 2つの核キュービット間のベル状態を準備し、状態トモグラフィーを用いてその精度を検証する。
• 2つの核スピンを共通の電子スピンとエンタングルさせることで、3キュービットのグリーンバーガー＝ホルン＝ツァイルラー（GHZ）状態を生成する。
• 実験データの統計的解析を用いて、ゲートおよび状態の精度に厳密な誤差境界を付与する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共通の電子スピンを中継として用いることで、シリコン中の核スピン間で高精度な2キュービットエンタングリング操作を達成できるか。
• RQ2 ゲートセットトモグラフィー（GST）は、核スピン量子プロセッサにおける1キュービットおよび2キュービット操作の性能をどの程度正確に定量化できるか。
• RQ3 シリコンベースのデバイスにおいて、2つの核スピンと共通の電子スピンを含む3キュービットエンタングルメントの精度はどの程度か。
• RQ4 観測されたゲートおよび状態の精度は、フォールトトレランス量子計算に必要な閾値を満たしているか。

主な発見

• 共通の電子スピンを介した2キュービット制御Zゲートが99.21(14)%の精度で実装され、核スピン量子プロセッサにおける高精度2キュービット操作を実証した。
• 1キュービットゲートの精度は最大で99.93(3)%に達し、優れた1キュービット制御性能を示した。
• 2つの核キュービット間のベル状態が94.2(2.7)%の精度で準備され、高精度なエンタングルメント生成を確認した。
• 3キュービットのグリーンバーガー＝ホルン＝ツァイルラー（GHZ）状態が92.5(1.0)%の精度で準備され、システム内でのマルチキュービットエンタングルメントを実証した。
• 2キュービット状態の準備および測定精度は98.95(4)%に測定され、高精度な状態準備および読み出しを支持した。
• ゲートセットトモグラフィーからの統合的高精度指標は、シリコン中の核スピンがフォールトトレランス量子計算に必要な性能閾値に近づいていることを示した。