[논문 리뷰] Benchmarking Gate Fidelities in a Si/SiGe Two-Qubit Device

Xiao Xue, Thomas F. Watson외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 09.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 표준 RB, 인터리브드 RB 변형을 사용하고 CRB를 도입하여 실리콘 스핀 큐비트의 단일 큐비트 및 두 큐비트 게이트 충실도를 신뢰성 있게 추출하고 교차 간섭 및 오류 상관 관계를 분석합니다.

ABSTRACT

We report the first complete characterization of single-qubit and two-qubit gate fidelities in silicon-based spin qubits, including cross-talk and error correlations between the two qubits. To do so, we use a combination of standard randomized benchmarking and a recently introduced method called character randomized benchmarking, which allows for more reliable estimates of the two-qubit fidelity in this system. Interestingly, with character randomized benchmarking, the two-qubit CPhase gate fidelity can be obtained by studying the additional decay induced by interleaving the CPhase gate in a reference sequence of single-qubit gates only. This work sets the stage for further improvements in all the relevant gate fidelities in silicon spin qubits beyond the error threshold for fault-tolerant quantum computation.

연구 동기 및 목표

• Si/SiGe 스핀 큐비트 소자에서 단일 큐비트 및 이중 큐비트 게이트 충실도 특성화.
• 두 큐비트 간 교차 간섭 및 오류 상관 관계 평가.
• CRB(문자 인가 벤치마킹)를 개발하고 적용하여 신뢰할 수 있는 이중 큐비트 게이트 충실도 확보.
• CPhase 게이트 충실도를 분리 격리하기 위한 인터리브드 벤치마킹 접근법 평가.
• 실리콘 스핀 큐비트의 오류 허용 임계치에 비해 성능 벤치마크 제시

제안 방법

• 개별 큐비트에 대한 표준 무작위 벤치마킹과 동시 RB를 결합하여 교차 간섭을 평가합니다.
• 참조 시퀀스 내 특정 게이트의 충실도를 추정하기 위해 인터리브드 RB를 사용합니다.
• CRB를 적용하여 다중 큐비트 클리포드 그룹을 넘는 해제된 소멸 채널과 게이트 충실도를 추출합니다.
• RB 시퀀스에 CPhase 게이트를 인터리브하고 소멸화 매개변수를 이용한 관계로 게이트 충실도를 계산합니다.
• CRB를 통해 두 가지 소멸 채널과 두 큐비트 짝수 공간의 세 가지 소멸 채널을 분석합니다.
• CRB 적합으로 두 큐비트 오류가 서로 독립적인지 또는 상관 관계가 있는지 추론합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Si/SiGe 이중 도트 소자에서 Q1과 Q2의 단일 큐비트 게이트 충실도는 얼마인가요?
• RQ2 동시 구동(교차 간섭)이 단일 큐비트 게이트 충실도에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 이 실리콘 스핀 큐비트 시스템에서 이중 큐비트 CPhase 게이트의 충실도는 얼마인가요?
• RQ4 CRB가 두 큐비트 시스템에서 서로 다른 오류 채널을 신뢰성 있게 분리하고 정량화할 수 있나요?
• RQ5 두 큐비트의 오류가 각 큐비트에서 독립적인가요, 아니면 큐비트 간에 상관 관계가 존재하나요?

주요 결과

• 고립 상태에서의 단일 큐비트 게이트 충실도는 약 99%이며: Q1 = 99.20±0.03% 그리고 Q2 = 98.79±0.02%.
• 동시 구동 RB는 Q1의 충실도를 97.67±0.04%로, Q2의 충실도를 94.26±0.10%로 감소시키며 교차 간섭 효과를 시사합니다.
• 이중 큐비트 클리포드 충실도는 82.10±2.75%입니다.
• CRB 기준 충실도(동시 단일 큐비트 클리포드 작동)는 91.9±0.1%입니다.
• CPhase를 인터리브드한 CRB는 이중 큐비트 공간에서 CPhase 충실도 92.0±0.5%를 제공합니다.
• 단일 큐비트 공간에서의 예상 CPhase 충실도는 제어/대상 구성 및 고유 상태에 따라 91%에서 95% 사이로 변합니다.