[논문 리뷰] Fast high-fidelity entangling gates in Si double quantum dots

F. A. Calderon-Vargas, George S. Barron외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 06.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 더블 큐비트 도트에서 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 위한 해석적 설계된 제어 펄스를 제시한다. 단순한 정사각형 펄스를 사용하여 CNOT 및 CZ 게이트를 27 ns 이내로 구현하면서도 펄스의 정밀도가 99.99% 이상을 달성한다. 이 방법은 시스템의 진화 연산자의 국소 불변량을 활용하여 저주파 노이즈가 존재하는 환경에서도 강인하고 고속의 얽힘 연산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Implementing high-fidelity two-qubit gates in single-electron spin qubits in silicon double quantum dots is still a major challenge. In this work, we employ analytical methods to design control pulses that generate high-fidelity entangling gates for quantum computers based on this platform. Using realistic parameters, we present simple control pulses that generate CNOT, CPHASE, and CZ gates with average fidelities greater than 99.99% and gate times as short as 45 ns. Moreover, using the local invariants of the system's evolution operator, we show that a simple square pulse generates a CNOT gate in less than 27 ns and with a fidelity greater than 99.99%. Last, we use the same analytical methods to generate two-qubit gates locally equivalent to $\sqrt{CNOT}$ and $\sqrt{CZ}$ that are used to implement simple two-piece pulse sequences that produce high-fidelity CNOT and CZ gates in the presence of low-frequency noise.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 더블 큐비트 도트 내 단일 전자 스핀 큐비트에서 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 구현하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 현실적인 시스템 파rameter를 사용하여 근사적으로 완벽한 게이트 정밀도를 달성하는 단순하고 고속의 제어 펄스를 설계하기 위해.
• 시스템의 진화 연산자의 국소 불변량을 활용하여 펄스 설계를 단순화하고 저주파 노이즈에 대한 강인성을 향상시키기 위해.
• 분석적으로 유도된 펄스 시퀀스를 사용하여 CNOT, CZ, CPHASE 및 그 제곱근과 같은 고속이고 고정밀도의 얽힘 게이트를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 시스템의 진화 연산자의 국소 불변량을 사용하여 제어 펄스를 해석적으로 유도함으로써 게이트 설계를 단순화시키는 방법.
• 27 ns 미만의 시간 내에 CNOT 게이트를 생성하는 단순한 정사각형 펄스를 설계하여 정밀도가 99.99% 이상을 달성함.
• 동일한 해석적 프레임워크를 활용하여 두 조각 펄스 시퀀스에 사용할 수 있는 √CNOT 및 √CZ 게이트와 국소적으로 동치인 게이트를 생성함.
• 국소 불변량을 활용하여 저주파 노이즈 하에서 게이트 작동의 강인성을 확보함.
• 최소한의 제어 복잡도로 고정밀도 CNOT 및 CZ 게이트를 구현하는 펄스 시퀀스를 구현함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해석적 제어 펄스 설계가 최소한의 게이트 시간으로 실리콘 더블 큐비트 도트에서 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 달성할 수 있는가?
• RQ2 시스템의 진화 연산자의 국소 불변량을 어떻게 활용하여 펄스 생성을 단순화하고 게이트 정밀도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 CNOT 및 CZ 게이트의 최소 게이트 시간은 정밀도가 99.99% 이상을 유지하면서 얼마나 짧아질 수 있는가?
• RQ4 복잡한 펄스 형상화 없이도 단순한 정사각형 펄스가 고정밀도 얽힘 연산을 달성할 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법은 이중 큐비트 게이트 작동에서 저주파 노이즈에 대해 어떻게 강인성을 향상시키는가?

주요 결과

• 간단한 제어 펄스를 사용하여 평균 정밀도가 99.99%를 초과하는 CNOT 및 CZ 게이트를 달성하였다.
• 단일 정사각형 펄스를 사용하여 27 ns 이내에 CNOT 게이트를 실현하였고, 정밀도는 99.99%를 초과하였다.
• 분석적으로 설계된 펄스를 사용하여 CNOT, CPHASE, CZ 게이트의 게이트 시간을 최소 45 ns로 구현하였다.
• √CNOT 및 √CZ 게이트를 기반으로 한 두 조각 펄스 시퀀스는 저주파 노이즈 하에서도 고정밀도 CNOT 및 CZ 연산을 가능하게 하였다.
• 국소 불변량의 사용은 노이즈 환경에서도 높은 정밀도를 유지하는 강인한 게이트 설계를 가능하게 하였다.