[논문 리뷰] Concatenated continuous driving of silicon qubit by amplitude and phase modulation

Takuma Kuno, Takeru Utsugi외 23명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 16.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 0

한 줄 요약

CMCCD는 진폭과 위상을 모두 조절하여 첫 번째 회전 프레임에서 원형 편광을 생성하고, 두 번째 회전 프레임의 반회전 항을 소멸시키며 시뮬레이션 및 실리콘 스핀 큐비트 실험에서 로버스트니스와 게이트 충실도를 개선합니다.

ABSTRACT

The rate of coherence loss is lower for a qubit under Rabi drive compared to a freely evolving qubit, $T_{2}^{ m{Rabi}}>T_{2}^*$. Building on this principle, concatenated continuous driving (CCD) keeps the qubit under continuous drive to suppress noise and manipulate dressed states by either phase or amplitude modulation. In this work, we propose a new variant of CCD which simultaneously modulates both the amplitude and phase of the driving field to generate a circularly-polarized field in the rotating frame of the carrier frequency. This circular-modulated (CM)-CCD cancels the counter-rotating term in the second rotating frame, eliminating a systematic pulse-area error that arises from an imperfect rotating wave approximation for fast gates. Numerical simulations demonstrate that the proposed CMCCD achieves higher gate fidelity than conventional CCD schemes. We further implement and compare different CCD protocols using an electron spin-qubit in an isotopically purified $^{28}$Si-MOS quantum dot and evaluate its robustness by applying static detuning and Rabi frequency errors. The robustness is significantly improved compared to standard Rabi-drive, showing the effectiveness of this scheme for qubit arrays with variation in qubit frequency, coupling to Rabi drive, and low frequency noise. The proposed scheme can be applied to various physical systems, including trapped atoms, cold atoms, superconducting qubits, and NV-centers.

연구 동기 및 목표

• 저잡음 저주파 노이즈 및 대형 큐비트 어레이 전반의 구동장 불균일성 하에서의 강건한 큐비트 제어를 동기화한다.
• 카운터 회전 항을 동시 진폭 및 위상 변조로 소거하는 CCD 변형을 개발한다.
• 첫 번째 회전 프레임에서 원형 편 Polarization을 구현하여 게이트 충실도를 개선한다.
• 동 isotopically 정제된 28Si-MOS 실리콘 양자점에서 CMCCD를 실험적으로 검증하고 AMCCD/PMCCD와 비교한다.
• 저주파 노이즈와 Rabi 주파수 오차에 대한 강건성과 임의 벤치마킹으로 성능을 평가한다.

제안 방법

• 진폭 및 위상 변조를 포함하는 매개변수 αA와 αP를 갖는 일반화된 CCD 구동 해밀토니안을 제안한다(αA+αP=1).
• CMCCD(αA=αP=1/2)가 첫 번째 회전 프레임에서 원형 편광을 생성하여 두 번째 회전 프레임의 반회전 항을 소거하는지 보인다.
• 두 번째 회전 프레임 해밀토니안을 도출하고 공동 회전(co-rotating)항과 반회전(counter-rotating)항을 식별한다; RWA와 변조를 이용해 오차를 억제한다.
• 동위원질화된 I/Q 변조를 이용한 ESR로 28Si-MOS 양자점에서 단일 전자 스핀 큐비트에 CMCCD를 실험적으로 구현한다.
• 주파수 편차 및 Rabi 오차 하에서 CMCCD, AMCCD, PMCCD를 chevron 패턴, 라비 진동, 푸리에 스펙트럼 및 무작위 벤치마킹으로 비교한다.
• y-게이트, Ramsey, 이축 제어 demonstrations를 통해 CMCCD에서 이중 코칭(qubit) 제어를 평가한다.

Figure 1: Polarization of drive field for different CCD schemes. To control the qubit, a drive field resonant with the Larmor frequency $\omega_{\rm{L}}$ is applied. In most cases, the applied drive field is linearly polarized, which is a superposition of co and counter rotating circularly polarized

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMCCD가 두 번째 회전 프레임의 카운터-회전 항을 동시에 진폭 및 위상 변조로 소거하는가?
• RQ2 주파수 편차 및 Rabi 오차 하에서 게이트 충실도에서 CMCCD가 AMCCD 및 PMCCD와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 저주파 노이즈 및 구동장 변화에 대해 CMCCD가 베어 큐비트와 이중 코칭된 큐비트의 강건성을 향상시키는가?
• RQ4 CMCCD가 실리콘 스핀 큐비트의 라셔 패턴(Chevron) 및 Rabi 진동의 푸리에 스펙트럼에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 주파수 편차와 구동 불균일성이 있는 배열에서 대규모 큐비트 제어에 CMCCD 성능이 유리한가?

주요 결과

• CMCCD는 첫 번째 회전 프레임에서 원형 편Polarization 구동을 제공하여 두 번째 회전 프레임의 반회전 항을 소거한다.
• CMCCD는 시뮬레이션상에서 빠른 게이트에 대해 기존 CCD 구성보다 게이트 충실도가 높다.
• 28Si-MOS 실리콘 양자점에 대한 실험은 CCD 구성들이 사다리꼴 모양의 chevron 패턴을 생성하고 주파수 편차 및 Rabi 오차에 대한 강건성을 보인다.
• CMCCD는 베어 큐비트 대비 향상된 강건성을 제공하며, AMCCD 및 PMCCD는 잔류 반회전 항을 보인다.
• 무작위 벤치마킹은 CCD 구성이 주파수 편차 및 Rabi 오차에 대한 강건성을 높임을 나타내지만 어떤 고주파 노이즈 조건에서는 기초 충실도가 개선되지 않을 수 있다.
• CMCCD는 이중 코칭 큐비트를 제어하고 CMCCD 구성에서 이축 제어를 시연한다.

Figure 2: Quantum state trajectories of the bare qubit and CCD-protected qubits under (a) detuning error and (b) Rabi error. Modulation parameters are set to $\epsilon_{\rm{m}}=\Omega_{0}/4$ , $\theta_{\rm{m}}=\pi/2$ , and $\phi_{\rm{mw}}=0$ . Red lines trace the evolution of the quantum states over