[논문 리뷰] Experimental implementation of universal holonomic quantum computation on solid-state spins with optimal control

Dong Yang, Shao-Chun Zhang외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 18.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 61인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 실온에서 다이아몬드의 질소빈자리(NV) 중심을 이용한 고체 상태 스핀 시스템에서 고해상도의 보편적인 힐버트 양자 게이트를 구현한다. 최적화된 비단단한 기하학적 양자 계산(NHQC+) 기법과 맞춤형 마이크로파уль스 형상 제어를 통해 저항력 있는 단일 및 이중 큐비트 게이트를 실현함으로써 제어 오차와 화학적 붕괴에 강건한 성능을 달성하였으며, 이는 고장 내성 기하학적 양자 계산으로 향하는 핵심적 진전이다.

ABSTRACT

Experimental realization of a universal set of quantum logic gates with high-fidelity is critical to quantum information processing, which is always challenging by inevitable interaction between the quantum system and environment. Geometric quantum computation is noise immune, and thus offers a robust way to enhance the control fidelity. Here, we experimentally implement the recently proposed extensible nonadiabatic holonomic quantum computation with solid spins in diamond at room-temperature, which maintains both flexibility and resilience against decoherence and system control errors. Compared with previous geometric method, the fidelities of a universal set of holonomic single-qubit and two-qubit quantum logic gates are improved in experiment. Therefore, this work makes an important step towards fault-tolerant scalable geometric quantum computation in realistic systems.

연구 동기 및 목표

• 실제 조건에서 고해상도의 보편적 양자 논리 게이트를 고체 상태 스핀 시스템에서 달성하기 위해.
• 장기적인 게이트 시간과 화학적 붕괴에 취약한 단단한 기하학적 양자 계산의 한계를 극복하기 위해.
• 최근 제안된 최적 제어를 적용한 비단단한 기하학적 양자 계산(NHQC+) 기법을 단일 및 이중 큐비트 게이트에 모두 적용하고 실험적으로 검증하기 위해.
• 확장 가능한 실온 플랫폼에서 제어 매개변수의 변동과 시스템의 화학적 붕괴에 대해 강건한 성능을 보여주기 위해.

제안 방법

• NHQC+ 기법은 다이아몬드 NV 중심의 전자 스핀과 핵 스핀을 이용하여 실현되며, 전자 스핀(S=1)이 큐비트로 기능하고 질소 핵 스핀(I=1)이 제어 보조 큐비트로 사용된다.
• 시간에 따라 변화하는 진폭과 위상의 마이크로파уль스를 사용하여 보조 상태 |a⟩와 큐비트 상태 |0⟩ 및 |1⟩ 간의 전이를 유도하며, 이를 통해 빛나는 상태 |b⟩를 형성한다.
• 기하학적 위상은 블로흐 구상에서 고체 각을 둘러싸는 단일 루프 경로를 통해 유도되며, 위상 진화는 반아르니우스 방정식과 β 및 ϕ에 대한 결합 미분방정식에 의해 제어된다.
• 최적 제어는 펄스 환경을 f = η(2β − sin(2β))로 형상화하고, ϕ(t = 0) = 0, ϕ(τ/2) = γG로 설정함으로써 적용되며, 오차 민감도를 최소화하기 위해 η = 0.4로 선택된다.
• 이중 큐비트 게이트 작동 중 화학적 붕괴를 억제하기 위해 동적 분할 기법이 사용되며, 특히 더 오래 지속되는 핵 스핀을 보호한다.
• 양자 과정 토모그래피(QPT)와 최대우도 추정법을 사용하여 구현된 게이트의 과정 허용도를 재구성하고 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 고해상도와 제어 오차에 대한 강건성을 확보하면서 고체 상태 스핀 시스템에서 보편적인 기하학적 양자 게이트를 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 실제 제어 불완전성 조건 하에서 NHQC+ 기법은 전통적인 비단단한 기하학적 양자 계산 기법보다 게이트 해상도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 비단단한 기하학적 게이트에서 게이트 속도, 오차 내성, 화학적 붕괴 억제를 균형 잡는 데 최적의 펄스 형상과 제어 매개변수(예: η)는 무엇인가?
• RQ4 복잡한 에너지 준위 구조와 제어 과제가 존재하는 고체 상태 시스템에서 이중 큐비트 기하학적 게이트를 고해상도로 실현할 수 있는가?
• RQ5 최적 제어는 실험 환경에서 진폭 변동에 대한 기하학적 게이트의 강건성을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 기하학적 X 게이트의 과정 해상도는 97.2%에 도달하였고, X/2 게이트는 96.8%를 기록하여 기존의 비단단한 기하학적 양자 계산 방법보다 뚜렷이 향상되었다.
• NHQC+ 기법은 제어 진폭 오차에 대해 강건성을 보였으며, 10%의 진폭 변동 조건 하에서도 해상도가 95% 이상 유지되었다.
• 최적의 제어 매개변수 η = 0.4는 체계적 오차 민감도를 최소화하면서도 짧은 게이트 지속시간(τ ≈ 200 ns)을 유지함으로써 속도와 해상도를 균형 잡는 데 성공하였다.
• 동적 분할 기법을 사용하여 이중 큐비트 기하학적 게이트를 성공적으로 실현하였으며, 전자 스핀의 짧은 공명 시간에도 불구하고 높은 해상도를 확보하였다.
• 양자 과정 토모그래피를 통해 최대우도 추정 후 재구성된 과정 행렬이 양의 정부호임을 확인하여 게이트 작동의 타당성을 검증하였다.
• 결과적으로 NHQC+ 기반 기하학적 양자 계산이 현실적인 실온 고체 상태 시스템에서 고장 내성적이고 확장 가능한 양자 정보 처리를 위한 실현 가능한 길임을 입증하였다.