[논문 리뷰] Gate Optimization via Efficient Two-Qubit Benchmarking for NV Centers in Diamond

Alessandro Marcomini, Philipp J. Vetter외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 09.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 0

한 줄 요약

두 상태만 준비하고 네 번의 측정을 수행하여 NV 중심의 두 큐비트 게이트를 효율적으로 폐쇄루프 벤치마킹하는 프로토콜을 개발하고, tomography 오버헤드를 수십 배 감소시키며, NV–13C 스핀으로 이를 시연한다.

ABSTRACT

High-fidelity gate implementation requires sophisticated control pulses that steer the quantum system to undergo the desired transformation. Quantum Optimal Control allows to derive these control pulses in an open-loop fashion based on numerical simulations. However, their precision can be limited by incomplete knowledge of the system. Closed-loop optimization overcomes this limitation by incorporating feedback from measurements, provided a suitable and efficient measure of the gate performance can be defined. In this article, we present an efficient method to evaluate the performance of a two-qubit gate by preparation and measurement of only two quantum states, enabling experimental closed-loop optimization with a metric previously believed to be limited to open-loop control. We tailor the approach to nitrogen-vacancy centers in diamond and, through numerical simulations, demonstrate how the method can optimize a two-qubit gate while reducing the number of required measurements by two orders of magnitude compared to standard process tomography under realistic experimental settings.

연구 동기 및 목표

• 취약한 양자 시스템에서 폐쇄루프 최적화를 통해 고충실도 게이트 제어의 필요성을 제시한다.
• 두-큐비트 게이트 성능을 평가하기 위한 최소 상태 벤치마킹 프로토콜을 개발한다.
• 13C 핵스핀과 결합된 NV 센터에 벤치마킹 방법을 맞춘다.
• 시뮬레이션을 통해 매개변수 불확실성을 폐쇄루프 보정이 어떻게 처리하는지 보여준다.
• 표준 프로세스 토모그래피와 비교한 측정 효율성 향상을 정량화한다.

제안 방법

• NV 전자 스핀에 대한 마이크로파 제어로 구현된 CnNOTe 스타일의 이-큐비트 게이트 타깃을 사용한다.
• 열려 있는 루프 및 닫힌 루프 모드에서 dressed Chopped RAndom Basis (dCRAB) 양자 최적 제어 프레임워크를 채택한다.
• 전체 프로세스 토모그래피를 피하기 위해 세 가지 프로브 상태 기반의 게이트 성능 지표 F_J를 정의한다.
• 섞인 상태 rho_1에 대한 위상 조정된 준비를 평균화하는 방식이 효율적인 F_J 평가를 가능하게 함을 보인다.
• 마이크로파 제어를 엔벨로프 g(t)와 dCRAB 확장 f(t)로 매개화하고 QuOCS 내에서 Nelder-Mead로 최적화한다.
• 실제적 NV–13C 시스템을 H_d 및 H_hf를 세큘라 근사하에 모델링하고, 구동 진폭에 대한 실험 제약을 포함한다.

Figure 1: System level scheme . An NV center in the diamond lattice is coupled to a nearby 13 C spin, with the magnetic field aligned along the defect’s symmetry axis (structure in the inset). The two Zeeman levels $m_{s}=0$ and $m_{s}=-1$ on the electron and the two nuclear spin states $m_{I}=1/2$

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 상태 준비와 네 번의 측정 프로토콜이 NV 중심에서 두 큐비트 게이트를 신뢰성 있게 벤치마크하고 최적화할 수 있는가?
• RQ2 게이트 충실도 최적화를 유지하면서 표준 프로세스 토모그래피에 비해 측정 오버헤드를 얼마만큼 줄일 수 있는가?
• RQ3 제안된 F_J 지표를 사용한 폐쇄루프 보정이 매개변수 불확실한 현실적 NV–13C 시스템에 대해 개방루프에서 최적화된 펄스를 신뢰성 있게 적응시키는가?
• RQ4 NV 기반 이-큐비트 게이트에서 F_J를 추출하기 위한 실제적인 SPAM 고려 사항과 판독 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 두 개의 준비된 상태와 네 번의 측정을 기반으로 한 효율적인 벤치마킹 프로토콜이 두 큐비트 게이트의 실험적 폐쇄루프 최적화를 가능하게 한다.
• 개방 루프 최적화는 대상 게이트에 대해 게이트 충실도 F_sm 99.97%를 달성했다.
• rho_1 프로브를 위한 상태 준비는 대각 항 충실도 99.9993%를 달성한다.
• rho_2에 대한 상태 준비는 이상적인 rho_2와 99.93%의 충실도를 달성한다.
• 판독 전략은 F_J 평가에 관련된 대각 성분에 대해 고대비 측정(C = 99.96%)을 제공한다.
• 스무 개의 샘플 NV–13C 시스템에 대한 폐쇄루프 적응은 개방루프 해법에 비해 성능을 향상시키며 매개변수 불확실성에 대한 강건성을 보여준다.

Figure 2: Full pulse sequences for (a) state preparation and (b) optical readout. We illustrate the full pulse sequences to experimentally compute ${F}_{\text{J}}$ . Green pulses represent the initialization/readout action induced by a laser, while blue pulses are required to prepare correctly the p