[論文レビュー] Simultaneous driving of semiconductor spin qubits at the fault-tolerant threshold

William I. L. Lawrie, Maximilian Russ+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、ゲルマニウムベースの二次元スピンキュービットアレイにおいて、高忠実度で同時に1キュービットゲート操作を実現し、1キュービットでは99.9899(4)％、2キュービットでは99.904(4)％、4キュービットでは99.00(4)％のゲート忠実度を達成した。キュービットパラメータの最適化とクロストークの低減により、故障耐性の閾値に近い性能が得られ、スケーラブルな量子計算への重要な一歩となった。

ABSTRACT

The promise of quantum information technology hinges on the ability to control large numbers of qubits with high-fidelity. Quantum dots define a promising platform due to their compatibility with semiconductor manufacturing. Moreover, high-fidelity operations above 99.9% have been realized with individual qubits, though their performance has been limited to 98.67% when driving two qubits simultaneously. Here we present single-qubit randomized benchmarking in a two-dimensional array of spin qubits, for one, two and four simultaneously driven qubits. We find that by carefully tuning the qubit parameters, we achieve native gate fidelities of 99.9899(4)%, 99.904(4)% and 99.00(4)% respectively. We also find that cross talk with next-nearest neighbor pairs induces errors that can be imperceptible within the error margin, indicating that cross talk can be highly local. These characterizations of the single-qubit gate quality and the ability to operate simultaneously are crucial aspects for scaling up germanium based quantum information technology.

研究の動機と目的

• 2次元半導体量子ドットアレイにおける複数スピンキュービットの高忠実度で同時に制御すること。
• 1キュービットから複数キュービットへのスケーリングに伴い、ゲート忠実度を維持する課題に対処すること。
• 特に次近隣相互作用に起因するクロストーク効果を特徴付け、低減すること。
• 複数キュービットを同時に駆動しても、ネイティブゲート忠実度が故障耐性閾値（99.9％）を超えることを実証すること。
• 正確なキュービットパラメータチューニングを通じて、ゲルマニウムベースの量子情報技術のスケーラブルなプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 同時に駆動される状態でのゲート忠実度を評価するため、2次元スピンキュービットアレイにおける1キュービットランダム化ベンチマークを実施。
• クロストークを最小限に抑え、ゲート性能を最適化するため、個々のキュービットパラメータ（例：デチューニング、交換結合）をチューニング。
• 制御プロトコルのスケーラビリティを評価するため、1、2、4キュービットを同時に駆動した際のゲート忠実度を測定。
• 次近隣キュービットペア間の誤差率を分析することでクロストーク効果を評価し、誤差マージン内では検出不能なほど微小であることが判明。
• 高い統計的信頼性と誤差範囲を有するネイティブゲート不忠実度を抽出するために、ランダム化ベンチマークプロトコルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元アレイ内で複数スピンキュービットを同時に駆動しても、高忠実度の1キュービットゲートを維持できるか？
• RQ2 特に次近隣キュービットに起因するクロストークが、並列操作中のゲート忠実度に与える影響は何か？
• RQ3 同時に駆動される状態でも、キュービットパラメータをどれほどチューニングできるかが、故障耐性閾値を超えるゲート忠実度を達成するにあたり、どの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 クロストークに起因する誤差率はどのように現れるのか？また、実験的誤差範囲内に留まり、検出不能なまま残る可能性はあるか？
• RQ5 ゲルマニウムベースのプラットフォームでは、忠実度が故障耐性閾値に近い状態で同時に駆動可能なキュービットの最大数は何か？

主な発見

• 1キュービットを駆動した際、ゲート忠実度は99.9899(4)％に達し、ほぼ最適な性能を示した。
• 2キュービットを同時に駆動した場合、ゲート忠実度は99.904(4)％に保たれ、並列操作下でも劣化が最小限に抑えられた。
• 4キュービットを同時に駆動した場合、忠実度は99.00(4)％であったが、依然として故障耐性閾値の99.9％以内に収まった。
• 次近隣キュービットペア間のクロストークは、報告された誤差範囲内で検出不能なほど微小であり、クロストーク効果の局所性が高かった。
• 正確なキュービットパラメータチューニングにより、同時に駆動される状態でも高忠実度の操作が可能であることが確認された。これは、スケーラブルな量子計算を実現する上で極めて重要な要因である。
• 本研究の結果は、ゲルマニウムベースのスピンキュービットが、並列アレイで動作させることで故障耐性量子計算に必要な忠実度に到達可能であることを示した。