[論文レビュー] Universal control and error correction in multi-qubit spin registers in diamond

T. H. Taminiau, Julia Cramer+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2013

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、窒素・バッド（NV）センターの電子スピンを制御および読み取りインターフェースとして用い、ダイヤモンド中の多量子もつれ核スピンレジスタにおいて、普遍的制御と量子誤り訂正を実証した。動的補正を施したマイクロ波パルスシーケンスを活用することで、弱い結合を持つ炭素13核スピンに対して高精度な単一および二量子もつれゲートを実現し、固体スピン系で初めて三量子もつれ誤り訂正プロトコルの実験的実装に成功した。これにより、デ coherent に壊れやすい核スピンが信頼性の高い量子資源に変換された。

ABSTRACT

Quantum registers of nuclear spins coupled to electron spins of individual solid-state defects are a promising platform for quantum information processing. Pioneering experiments selected defects with favourably located nuclear spins having particularly strong hyperfine couplings. For progress towards large-scale applications, larger and deterministically available nuclear registers are highly desirable. Here we realize universal control over multi-qubit spin registers by harnessing abundant weakly coupled nuclear spins. We use the electron spin of a nitrogen-vacancy centre in diamond to selectively initialize, control and read out carbon-13 spins in the surrounding spin bath and construct high-fidelity single- and two-qubit gates. We exploit these new capabilities to implement a three-qubit quantum-error-correction protocol and demonstrate the robustness of the encoded state against applied errors. These results transform weakly coupled nuclear spins from a source of decoherence into a reliable resource, paving the way towards extended quantum networks and surface-code quantum computing based on multi-qubit nodes.

研究の動機と目的

• 固体スピン系における二量子もつれの普遍的制御に限界があるのを克服し、スケーラブルな多量子もつれレジスタ制御を可能にすること。
• 従来、デ coherent の原因であった弱い結合を持つ核スピンを、量子情報処理用に信頼性があり、高コherenな量子資源に変換すること。
• 個々の固体スピンを用いた完全な量子誤り訂正プロトコルの実装を通じて、適用された誤りに対する耐故障性を実証すること。
• 強いハイパーフィン結合を必要とせず、電子スピンを介したゲートを活用する制御方式の開発。

提案手法

• ダイヤモンド中の窒素・バッド（NV）センターの電子スピンを、周囲の核スピンの制御および読み取りプラットフォームとして用いる。
• 条件付きダイナミクスを介して核スピンに普遍的単一および二量子もつれゲートを実装するため、(τ−π−2τ−π−τ)N/2 形式のマイクロ波パルスシーケンスを採用する。
• 各スピン固有のハイパーフィン相互作用に合わせてパルス間隔τを調整することで、個々の核スピンを選択的に制御し、スピン軸および回転角度の制御を可能にする。
• 電子スピン状態の準備と状態転送により核スピンを初期化し、2 μsのレーザーパルスを用いて電子スピンを再初期化することで、核スピンの偏極を維持する。
• 電子スピンのコherenスを保護し、核スピンを環境ノイズから遮断するため、ダイナミカルデカップリングシーケンスを適用し、有効なコherenス時間の延長を実現する。
• レムゼー干渉計測定および核スピンエコー測定を用いて、照射下でのコherenス時間とデコherenス特性を特徴づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いハイパーフィン結合を必要とせず、固体系において複数の弱い結合核スピンに対して普遍的制御を達成できるか？
• RQ2 電子スピン制御とマイクロ波パルスのみを用いて、核スピンに高精度な単一および二量子もつれゲートを実装できるか？
• RQ3 ダイヤモンド中の個々の固体スピンを用いて、三量子もつれ誤り訂正プロトコルを実験的に実装できるか？
• RQ4 繰り返しの電子スピン初期化および読み取りサイクル中でも、核スピンのコherenスが維持できるか？
• RQ5 環境のフラクチュエーションおよびデコherenスが、このプラットフォームにおける多量子もつれ量子レジスタの性能に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• 電子スピンコherenス時間 T_coh は 2.86(4) ms と測定され、顕著なデコherenスを伴わず長時間のゲートシーケンスが可能となった。
• 核スピンエコーコherenス時間 T_2 は、核スピン1で 5.9(8) ms、核スピン2で 9(1) ms と測定され、長寿命な量子コherenスが示された。
• レーザー照射下での核スピンデコherenス時間 T_2* は、スピン1で 51(7) μs、スピン2で 350(90) μs であり、いずれも2 μsの電子再初期化時間よりも顕著に長く、安定性が確認された。
• レーザー照射下での核スピン緩和時間 T_1 は、スピン1で 2.5(3) ms、スピン2で 1.2(2) ms と測定され、制御サイクル中に最小限の偏極損失が生じたことが確認された。
• 1.8 ms の量子誤り訂正プロトコルの推定ゲート精度は F_est = 0.64、プロセス精度は F_p,est = 0.46 であり、実験的観測と整合的であった。
• 誤り訂正プロトコルに含まれる10個の核スピンゲートの平均ゲート精度は 0.94 と推定され、高精度なゲート操作が実現したことが示された。