[論文レビュー] Universal control of a six-qubit quantum processor in silicon

Stephan G. J. Philips, Mateusz Mądzik+13 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、量子ドット内の電子スピンを用いた六キュービットのシリコン量子プロセッサを、ハミルトニアン工学、リアルタイムフィードバック、および効率的なキャリブレーションにより、高精度な単一および両キュービットゲート、初期化、読み出しを含むユニバーサル制御で実現した。このシステムは、シングルショット読み出しの精度が99.97％を超えることを達成し、配列全体にわたって最大にエンタングルされた状態を生成した。これは、シリコンにおけるスケーラブルで高精度な量子計算への大きな一歩である。

ABSTRACT

Future quantum computers capable of solving relevant problems will require a large number of qubits that can be operated reliably. However, the requirements of having a large qubit count and operating with high-fidelity are typically conflicting. Spins in semiconductor quantum dots show long-term promise but demonstrations so far use between one and four qubits and typically optimize the fidelity of either single- or two-qubit operations, or initialization and readout. Here we increase the number of qubits and simultaneously achieve respectable fidelities for universal operation, state preparation and measurement. We design, fabricate and operate a six-qubit processor with a focus on careful Hamiltonian engineering, on a high level of abstraction to program the quantum circuits and on efficient background calibration, all of which are essential to achieve high fidelities on this extended system. State preparation combines initialization by measurement and real-time feedback with quantum-non-demolition measurements. These advances will allow for testing of increasingly meaningful quantum protocols and constitute a major stepping stone towards large-scale quantum computers.

研究の動機と目的

• 4キュービットを超えるスピンキュービット系のスケーリングを実現しつつ、すべての操作において高精度な制御を維持すること。
• 半導体量子ドット系におけるキュービット数と制御精度のトレードオフを解決すること。
• 6キュービット配列上で、状態準備、単一および両キュービットゲート、測定を含むユニバーサル量子操作を実装すること。
• 大規模量子プロセッサに不可欠なスケーラブルなキャリブレーションおよびフィードバックプロトコルの開発。
• リザボアへのアクセスを必要としない高精度な初期化および測定を実現し、堅牢な量子回路実行を可能にすること。

提案手法

• 交換相互作用を個別に制御可能なマルチレイヤーゲート構造を備えた、シリコン量子ドット内の6個の電子スピンキュービットからなる線形アレイを用いた。
• マイクロマグネットの勾配を用いて電気双極子スピン共鳴を実現し、選択的かつ個別のキュービットアドレッシングを達成した。
• 660ナノ秒の遅延を有するFPGAベースの制御を用いてリアルタイムフィードバックを実装し、測定結果に応じて条件付きゲートを適用した。
• 測定による初期化をリアルタイムフィードバックと組み合わせ、量子非破壊（QND）測定と条件付き回転を併用した。
• qubitの位相変化を追跡し、マイクロ波バースト中における位相コherーランスを保証するために、6つの独立した数値制御発振器（NCO）を備えた任意波形発生器（AWG）を用いた。
• ゲート電圧パルスとRFバーストを組み合わせた読み出しを実施し、AWGと同期したディジタイザで信号を統合・しきい値処理した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6キュービットのシリコン量子プロセッサは、単一キュービットゲート、両キュービットゲート、初期化、測定のすべての操作において高精度なユニバーサル制御を達成できるか？
• RQ2 マルチキュービットスピン系において、測定結果に基づく補正を実現するための効率的なリアルタイムフィードバックはどのように実装できるか？
• RQ3 QND測定とフィードバックを用いた場合、シリコン量子ドット内の電子スピンのシングルショット読み出し精度はどの程度達成可能か？
• RQ4 ハミルトニアン工学とキャリブレーションルーチンを用いることで、より大きなキュービット系においても高精度な操作を維持できる範囲はどの程度か？
• RQ5 リザボアへのアクセスを必要としない初期化と測定は、スケーラブルで堅牢な動作を可能にするか？

主な発見

• 6キュービットプロセッサは、並進および反並進スピン状態の明確に分離されたヒストグラムを測定することで、キュービットペア1-2および5-6の両方で、シングルショットスピン読み出し精度が99.97％を超えた。
• 660ナノ秒の遅延を有するリアルタイムフィードバックにより、測定結果に基づいた条件付きゲート操作が可能となり、最小限の停止時間でキュービットコherーランスが保持された。
• 2キュービットおよび3キュービットのそれぞれで、最大にエンタングルされたベル状態およびグリーンバーガー＝ホルン＝ツァイリンド（GHZ）状態が成功裏に準備され、ユニバーサルゲート制御の実証がなされた。
• リアルタイムフィードバックを用いた測定による高精度な初期化が達成され、リザボアへのアクセスを不要とし、堅牢な状態準備が可能となった。
• 効率的なバックグラウンドキャリブレーションとハミルトニアン工学により、6キュービット全般にわたって、単一および両キュービットゲート、初期化、読み出しの同時高精度操作が実現された。
• AWGに組み込まれた6つの独立したNCOの使用により、全キュービットにわたる位相整合性のあるマイクロ波制御が可能となり、より大きな回路へのスケーラブルな解決策が得られた。