[논문 리뷰] High-fidelity two-qubit gates in silicon above one Kelvin

Luca Petit, Maximilian Russ외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 17.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 1 K 이상의 온도에서 실리콘 더블 큐비트 도트에서 구동 회전과 펄스형 교환 상호작용을 조합한 하이브리드 접근 방식을 사용하여 고신뢰도 이중 큐비트 양자 게이트—CROT, CPHASE, SWAP—를 구현한다. 저자들은 노이즈 모델링 하에서 CPHASE 및 SWAP 게이트의 게이트 품질이 99%를 초과함을 입증하여 고신뢰도 양자 연산이 가능하며, 높은 온도에서 고전 제어 전자회로와의 통합 가능성도 보여준다.

ABSTRACT

Spin qubits in quantum dots define an attractive platform for scalable quantum information because of their compatibility with semiconductor manufacturing, their long coherence times, and the ability to operate at temperatures exceeding one Kelvin. Qubit logic can be implemented by pulsing the exchange interaction or via driven rotations. Here, we show that these approaches can be combined to execute a multitude of native two-qubit gates in a single device, reducing the operation overhead to perform quantum algorithms. We demonstrate, at a temperature above one Kelvin, single-qubit rotations together with the two-qubit gates CROT, CPHASE and SWAP. Furthermore we realize adiabatic, diabatic and composite sequences to optimize the qubit control fidelity and the gate time. We find two-qubit gates that can be executed within 67 ns and by theoretically analyzing the experimental noise sources we predict fidelities exceeding 99%. This promises fault-tolerant operation using quantum hardware that can be embedded with classical electronics for quantum integrated circuits.

연구 동기 및 목표

• 1 K 이상의 온도에서 실리콘 기반 스핀 큐비트에서 고신뢰도 이중 큐비트 양자 게이트를 구현하는 것.
• 단일 장치 내에서 CROT, CPHASE, SWAP와 같은 다수의 내재된 이중 큐비트 게이트를 통합하여 양자 알고리즘의 오버헤드를 줄이는 것.
• 아디아바틱, 디아바틱, 복합 펄스 시퀀스를 사용하여 게이트 품질과 속도를 최적화하는 것.
• 특히 1/f 노이즈에 의해 영향을 받는 상황에서도 99% 이상의 품질을 달성함으로써 고신뢰도 양자 계산을 가능하게 하는 것.
• 고온에서 실현 가능한 큐비트 작동과 고전 전자회로 제어를 융합하여 확장 가능한 양자 통합 회로를 지원하는 것.

제안 방법

• 실험은 퍼텐셜 장벽 및 바리어 게이트를 통해 탈도핑(ε)과 터널 결합(t)을 조절할 수 있는 실리콘 더블 큐비트 도트를 사용하며, 이는 교환 상호작용(J) 제어를 가능하게 한다.
• 단일 큐비트의 회전은 현장 내 전자 스핀 공명(ESR)을 통해 수행되며, 이중 큐비트 게이트는 펄스형 교환 상호작용과 구동 회전의 조합을 통해 실현된다.
• 제어 회전(CROT)은 모든 네 가지 공명 주파수에서 교환 상호작용과 조지엔 에너지 분리의 조절을 통해 실행되며, 최적 제어를 위해 게이트 시간이 조정된다.
• CPHASE 게이트는 교환 상호작용이 큐비트 간 조지엔 에너지 차이보다 훨씬 작을 때 구현되며, 상태에 따라 달라지는 라비 진동을 활용한다.
• SWAP 게이트는 아디아바틱 및 디아바틱 펄스를 포함한 복합 펄스 시퀀스를 통해 실현되며, 총 펄스 지속 시간이 최적화되어 품질을 극대화한다.
• 노이즈 모델링은 1/f 노이즈를 주요 디코herence 원인으로 간주하며, 이상적 조건과 현실적인 노이즈 조건 하에서의 품질을 시뮬레이션하여 성능을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1 K 이상의 온도에서 실리콘 스핀 큐비트에서 고신뢰도 이중 큐비트 게이트를 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ2 하이브리드 제어 방식을 사용하여 단일 장치 내에서 CROT, CPHASE, SWAP와 같은 다수의 내재된 이중 큐비트 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ3 1/f 노이즈 존재 하에서 아디아바틱, 디아바틱, 복합 펄스 시퀀스는 게이트 품질과 게이트 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모델에 현실적인 노이즈 원천을 포함했을 때 이중 큐비트 게이트의 예측 품질은 어떻게 되는가?
• RQ5 고온 작동과 고신뢰도 게이트 제어의 조합이 현장 내 고전 제어를 갖춘 확장 가능한 양자 통합 회로를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• CROT 게이트는 측정된 품질이 86%이며, 1/f 노이즈 모델링 하에서 예측된 노이즈 영향을 받은 품질 89%와 매우 유사하다.
• CPHASE 게이트는 현실적인 노이즈 조건 하에서 99% 이상의 품질을 예측하며, 게이트 시간은 67 ns이다.
• SWAP 게이트는 실험적으로 90%를 초과하는 품질을 달성했으며, 주요 오류 원인은 캘리브레이션 오류, SPAM 오류 및 유한한 조지엔 분리이다.
• SWAP 및 디아바틱 CPHASE 게이트에 대한 복합 펄스 시퀀스는 노이즈 민감도를 크게 감소시키며, 99% 이상의 품질을 예측한다.
• 이중 큐비트 게이트는 67 ns 이내에 실행 가능하여 1 K 이상의 온도에서 고속 양자 논리 연산을 가능하게 한다.
• 이론적 분석은 노이즈를 고려할 경우 고신뢰도 양자 계산이 가능하며, 최적화된 펄스 시퀀스를 통해 고신뢰도 게이트가 실현 가능하다는 것을 확인한다.