[論文レビュー] Silicon qubit fidelities approaching stochastic noise limits via pulse optimisation

Andrea Morello, Fay E. Hudson+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、磁気共鳴分野で用いられるパルス最適化技術を応用し、シリコン量子ドットスピンキュービットにおける平均クリフォードゲート誤り率を 0.043% まで低下させることに成功した。これは従来の結果よりも3倍の改善である。ランダム化ベンチマークにおいてトモグラフィ的に完全な測定を組み込むことで、ノイズのユニタリティを抽出し、誤り率が 0.026% まで低下可能であると予測した。これはデバイス構造に起因するマコヴィアン電荷ノイズが定める根本的限界に近い値である。

ABSTRACT

The performance requirements for fault-tolerant quantum computing are very stringent. Qubits must be manipulated, coupled, and measured with error rates well below 1%. For semiconductor implementations, silicon quantum dot spin qubits have demonstrated average single-qubit Clifford gate error rates that approach this threshold, notably with error rates of 0.14% in isotopically enriched $^{28}$Si/SiGe devices. This gate performance, together with high-fidelity two-qubit gates and measurements, is only known to meet the threshold for fault-tolerant quantum computing in some architectures when assuming that the noise is incoherent, and still lower error rates are needed to reduce overhead. Here we experimentally show that pulse engineering techniques, widely used in magnetic resonance, improve average Clifford gate error rates for silicon quantum dot spin qubits to 0.043%,a factor of 3 improvement on previous best results for silicon quantum dot devices. By including tomographically complete measurements in randomised benchmarking, we infer a higher-order feature of the noise called the unitarity, which measures the coherence of noise. This in turn allows us to theoretically predict that average gate error rates as low as 0.026% may be achievable with further pulse improvements. These fidelities are ultimately limited by Markovian noise, which we attribute to charge noise emanating from the silicon device structure itself, or the environment.

研究の動機と目的

• エラー耐性の量子計算に必要な厳しい誤り率要件を満たす。具体的には、論理キュービットの誤り率が 1% 未満である必要がある。
• 現在のシリコン量子ドットスピンキュービットの限界を克服する。これは、近い閾値のゲート忠実度を達成しているものの、量子計算のオーバーヘッドを低減するにはさらなる誤り率の低減が求められるためである。
• 磁気共鳴分野で開発された高度なパルスエンジニアリング技術を応用し、シリコンベースのキュービットにおけるノイズを低減することで、より低いゲート誤り率を達成する。
• トモグラフィ的に完全なランダム化ベンチマークを用いて、ユニタリティといった高次ノイズ特徴を特定し、ノイズ制限をよりよく理解し、予測する。
• 実験データとパルス最適化に基づいて、マコヴィアンノイズを主因とする条件下でのシリコンキュービットの理論的最小誤り率限界を理論的に予測する。

提案手法

• 核磁気共鳴で一般的に用いられるパルスエンジニアリング技術を応用し、シリコン量子ドットスピンキュービットの制御パルスを最適化する。
• トモグラフィ的に完全な測定を組み込んだランダム化ベンチマークを実装し、ノイズのユニタリティ（ノイズのコhereneyの指標）を抽出する。
• 測定されたユニタリティを用いて、ノイズの性質を推定し、システム内でのノイズの理論的モデルを制約する。
• ノイズをマコヴィアンとモデル化し、シリコンデバイス構造または周囲環境に起因する電荷ノイズに起因するとする。
• 実験データとノイズの特徴をもとに、さらなるパルス最適化によって達成可能な平均ゲート誤り率の理論的下限を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気共鳴分野で用いられるパルスエンジニアリング技術は、シリコン量子ドットスピンキュービットにおけるゲート誤り率を、従来の実験的限界を下回るまで低下させることができるか？
• RQ2 ユニタリティで定量化されるノイズのコhereney性は、シリコンキュービットにおけるゲート忠実度の性能と予測可能性にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 マコヴィアンノイズが主因であると仮定した場合、シリコン量子ドットキュービットにおける平均クリフォードゲート誤り率の理論的下限は何か？
• RQ4 トモグラフィ的に完全なランダム化ベンチマークプロトコルは、標準的なランダム化ベンチマークに比べて、ノイズの特徴をどの程度改善して特定できるか？
• RQ5 実験的誤り率とノイズのユニタリティ測定値を組み合わせることで、シリコンベースの量子計算アーキテクチャの最終的忠実度限界を予測できるか？

主な発見

• 著者らは、同位体で純化された $^{28}$Si/SiGe シリコン量子ドットデバイスにおいて、平均クリフォードゲート誤り率を 0.043% まで低下させた。これは、従来の最高結果よりも3倍の改善である。
• ランダム化ベンチマークにトモグラフィ的に完全な測定を組み込むことで、本研究はノイズのユニタリティ値を抽出し、コherentノイズ特徴の特定に成功した。
• 測定されたノイズのユニタリティに基づく理論的モデリングにより、さらなるパルス最適化によって平均ゲート誤り率が 0.026% まで低下可能であると予測された。
• 最終的な忠実度限界は、マコヴィアンノイズに起因しており、著者らはこれをシリコンデバイス構造またはその周囲環境に起因する電荷ノイズに起因すると特定した。
• 結果として、パルス最適化によりゲート忠実度を根本的な確率的ノイズ限界に近づけることができ、エラー耐性の量子計算に必要な閾値に近づくことが示された。
• 本研究は、高度な制御技術とノイズ特徴の特定を組み合わせることで、シリコン量子ドットスピンキュービットがエラー耐性の量子計算への実現可能性を有していることを確認した。