[論文レビュー] Two-qubit logic between distant spins in silicon

Jurgen Dijkema, Xiao Xue+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、250 nm 離れたシリコン中の2つの電子スピン量子ビット間で、分散的状態における仮想光子を介して超伝導共振器を介してスピン-スピン結合を媒介することで、一貫性のある2量子ビット iSWAP 操作を実証している。実験では制御可能な反相振動と10ナノ秒スケールのエンタングルメントゲートを達成し、直接的な交換結合を超えた長距離接続を有するスケーラブルなオンチップ量子ネットワークの実現に貢献している。

ABSTRACT

Direct interactions between quantum particles naturally fall off with distance. For future-proof qubit architectures, however, it is important to avail of interaction mechanisms on different length scales. In this work, we utilize a superconducting resonator to facilitate a coherent interaction between two semiconductor spin qubits 250 $μ$m apart. This separation is several orders of magnitude larger than for the commonly employed direct interaction mechanisms in this platform. We operate the system in a regime where the resonator mediates a spin-spin coupling through virtual photons. We report anti-phase oscillations of the populations of the two spins with controllable frequency. The observations are consistent with iSWAP oscillations and ten nanosecond entangling operations. These results hold promise for scalable networks of spin qubit modules on a chip.

研究の動機と目的

• 直接的な交換相互作用の限界を超えて、シリコン中のスピン量子ビット間で長距離2量子ビットエンタングルメントを実現すること。
• 分散的状態において、超伝導共振器を中間体として用いることで、250 nm 離れた2つのスピン間で一貫性のあるスピン-スピン結合を実現すること。
• ナノ秒スケールの動作時間で高忠実度の2量子ビット量子ゲート（iSWAP および √iSWAP）を達成すること。
• 共振器媒介スピン相互作用を用いたモジュール型オンチップ量子アーキテクチャの実現可能性を検証すること。

提案手法

• シリコン量子ドット内の2つの遠く離れた単一電子スピン量子ビット間で、超伝導NbTiNオンチップ共振器を介して一貫性のあるスピン-スピン結合を実現する。
• qubit周波数を共振器周波数からずらした分散的状態で動作させ、光子漏れを抑制し、仮想光子の交換を可能にする。
• マイクロ波プローブと分散的読み出しを用いて個々のqubit状態をモニタリングし、最適なコherencyを達成するためのフロッピングモード動作点に調整する。
• 時間領域制御を用いて2スピン間のiSWAP振動を誘発し、周波数をスピン-キャビティ周波数差およびスピン周波数差で制御する。
• 実験的に測定したパラメータを用いた完全なマスター方程式モデルを構築し、緩和、デ coherent、スピン-光子結合を含む観測された交換振動をシミュレート・フィッティングする。
• シミュレートされたプロセスマトリクスを用いた量子プロセストモグラフィーにより、理想のiSWAPおよび√iSWAPゲートと比較してゲート忠実度を推定する。

Figure 1: Dot-resonator-dot device. a. False-colored optical image of the device that is used in this work, showing the resonator, ground planes and the gate fan-out of the double quantum dots (DQDs). The microwave (MW) in/out ports are used to probe the transmission through the resonator, and the D

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導共振器を中間体として用いることで、シリコン中の2つの遠く離れたスピン量子ビットを250 nm 離れて一貫性を持ってエンタングルできるか？
• RQ2 分散的状態における共振器媒介2量子ビットゲートの達成可能な忠実度と動作時間は何か？
• RQ3 iSWAP振動周波数は、スピン-キャビティ周波数差、スピン-光子結合強度、スピン周波数差にどのように依存するか？
• RQ4 周波数ドリフトや磁場勾配の不確実性といった、理想的でない実験的要因が、ゲート性能にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 実験では、周波数を制御可能な反相振動が観測され、iSWAPダイナミクスと整合的であることが確認された。
• 82.5% の忠実度を達成した√iSWAPゲートが実現され、iSWAPゲートは70.3% の忠実度に達した。これは高忠実度の2量子ビット操作を示している。
• iSWAPゲートの動作時間は約10ナノ秒であり、スケーラブルな量子コンputingに適した高速エンタングルメント操作を可能にしている。
• スピン-スピン結合強度は最大21.2 MHzに達し、スピン-光子結合強度は29.7 MHzに達した。これは強力な共振器媒介相互作用を示している。
• qubitの緩和時間およびデコherence時間などの実験的測定パラメータを考慮した理論的シミュレーションと、観測された振動周波数が一致した。
• 緩和、デコherence、および1量子ビット位相進化を含む完全なモデルシミュレーションに基づく忠実度推定により、ゲートプロトコルの頑健性が検証された。

Figure 2: Rabi oscillations for qubit 1 ( a ) and qubit 2 ( b ), driven in the flopping-mode regime. The measured transmission through the resonator as a function of applied MW burst time, resonant with qubit 1 and qubit 2 respectively, is shown by the data points. The solid lines represent fits to