[論文レビュー] Robust quantum control for the manipulation of solid-state spins

Yifan Zhang, Hao Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、窒素真空欠陥（NV）中心における高精度な単一キュービットゲートを達成するために、最適制御アルゴリズムを用いたロバストな量子制御を示している。これにより、周波数オフレスオンのずれとラビ周波数の揺らぎの両方の誤差を同時に抑制する。実験的に実装されたロバスト最適制御（ROC）パルスを用いて、10%のオフレスオンのずれとラビ誤差下でも、単一キュービットゲートの精度が最大99.97%に達し、また、有限パルス幅に起因するダイナミカルデカップリングシーケンス内の余計なスペクトルピークも抑制した。

ABSTRACT

Robust and high-fidelity control of electron spins in solids is the cornerstone for facilitating applications of solid-state spins in quantum information processing and quantum sensing. However, precise control of spin systems is always challenging due to the presence of a variety of noises originating from the environment and control fields. Herein, noise-resilient quantum gates, designed with robust optimal control (ROC) algorithms, are demonstrated experimentally with nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond to realize tailored robustness against detunings and Rabi errors simultaneously. In the presence of both 10% off-resonant detuning and deviation of a Rabi frequency, we achieve an average single-qubit gate fidelity of up to 99.97%. Our experiments also show that, ROCbased multipulse quantum sensing sequences can suppress spurious responses resulting from finite widths and imperfections of microwave pulses, which provides an efficient strategy for enhancing the performance of existing multipulse quantum sensing sequences.

研究の動機と目的

• 環境的および制御場のノイズにさらされても高精度な操作を可能にする、ハードウェアフレンドリーな量子制御手法の開発。
• 従来のコンポジットパルスの限界に対処する。これらは単一の誤差タイプに対してのみロバストであるか、過剰なパルス長を要する。
• 実験的NV中心系において、周波数ずれとラビ周波数誤差の両方に対して同時にロバストであることを実証する。
• ROCに基づくダイナミカルデカップリングシーケンスを用いて、有限パルス幅および不完全性に起因する余計なスペクトル応答を抑制する。

提案手法

• 著者らは、周波数ずれとラビ周波数誤差に対する感度を2次まで最小化するように、形状を最適化したマイクロ波パルスを設計するため、ロバスト最適制御（ROC）アルゴリズムを採用した。
• ROCパルス設計は、ゲート精度と、ノイズパrameterに関する時間発展演算子の方向微分の抑制を含むフィットネス関数を最適化する。
• 反復的最適化によりパルスシーケンスを生成する：システムの時間発展をシミュレートし、フィットネスを計算し、勾配上昇法を用いてパラメータを更新し、収束するまで繰り返す。
• 周波数ずれ（$\epsilon_1$）とラビ誤差（$\epsilon_2$）のノイズ重みを組み込み、最大次数$m_{\text{max}}$までの方向微分を用いてロバスト性を向上させる。
• ダイナミカルデカップリング（DD）シーケンスは、ROCパルスを用いることで、有限パルス幅に起因する余計なスペクトルピークの抑制が可能になった。
• ランダム化ベンチマークは、平均ゲート精度の検証に用いられ、NV中心の基底状態にランダムなパウリおよびクラッカーイ・ゲートを適用したシーケンスが使用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロバスト最適制御（ROC）は、固体スピン系において、周波数ずれとラビ周波数誤差の両方を同時に抑制しつつ、高精度なゲート操作を達成できるか？
• RQ2 組み合わせノイズ下でのロバスト性と精度の観点から、ROCベースのパルス形状は、従来のシグマパルスやコンポジットパルスと比較してどのように異なるか？
• RQ3 ROCベースのダイナミカルデカップリングシーケンスは、有限マイクロ波パルス幅に起因する余計なスペクトルピークをどの程度抑制できるか？
• RQ4 10%の周波数ずれとラビ誤差を含む現実的な実験的ノイズ条件下で、ROCパルスをNV中心に適用した場合の実現可能なゲート精度はどの程度か？
• RQ5 ROCベースの制御は、ダイヤモンド中のNV中心を含む、既存の量子ハードウェアプラットフォームで効率的に実装可能か？

主な発見

• 10%のオフレスオンのずれと10%のラビ周波数偏差下でも、著者らは最大99.97%の単一キュービットゲート精度を達成し、複合誤差に対して高いロバスト性を示した。
• シミュレーションおよび実験的検証により、ROCパルスは従来のシグマパルスと比較して、はるかに広く平坦なロバスト領域を示した。
• ROCベースのダイナミカルデカップリングシーケンスでは、有限パルス幅に起因する余計なスペクトルピークが強く抑制され、量子センシングの精度が向上した。
• ROCパルスの実験的実装は、複数のノイズ実現に対して一貫した性能を示し、本手法の信頼性と再現可能性を確認した。
• ランダム化ベンチマークにより、高い平均ゲート精度が確認され、フィットネスの減衰率は観測された99.97%の単一ゲート精度と整合的であった。