[논문 리뷰] Precision tomography of a three-qubit electron-nuclear quantum processor in silicon

Mateusz Mądzik, Serwan Asaad|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 64인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 이온 주입된 31P 핵을 이용한 실리콘 기반의 세 큐비트 전자-핵 양자 프로세서에서 고정밀도의 보편적 양자 논리 연산을 구현한다. 공유 전자 스핀을 통해 기하학적 위상 제어 Z 게이트를 구현함으로써, 저자들은 이중 큐비트 게이트의 정밀도를 99.21(14)%까지 도달시키고, 세 큐비트의 그린버거-홀른-자일링 상태를 92.5(1.0)%의 정밀도로 준비하여 실리콘 내 핵 스핀이 고장내성 양자 계산을 위한 확장 가능한 플랫폼임을 입증한다.

ABSTRACT

Nuclear spins were among the first physical platforms to be considered for quantum information processing, because of their exceptional quantum coherence and atomic-scale footprint. However, their full potential for quantum computing has not yet been realized, due to the lack of methods to link nuclear qubits within a scalable device combined with multi-qubit operations with sufficient fidelity to sustain fault-tolerant quantum computation. Here we demonstrate universal quantum logic operations using a pair of ion-implanted 31P nuclei in a silicon nanoelectronic device. A nuclear two-qubit controlled-Z gate is obtained by imparting a geometric phase to a shared electron spin, and used to prepare entangled Bell states with fidelities up to 94.2(2.7)%. The quantum operations are precisely characterised using gate set tomography (GST), yielding one-qubit gate fidelities up to 99.93(3)%, two-qubit gate fidelity of 99.21(14)% and two-qubit preparation/measurement fidelities of 98.95(4)%. These three metrics indicate that nuclear spins in silicon are approaching the performance demanded in fault-tolerant quantum processors. We then demonstrate entanglement between the two nuclei and the shared electron by producing a Greenberger-Horne-Zeilinger three-qubit state with 92.5(1.0)% fidelity. Since electron spin qubits in semiconductors can be further coupled to other electrons or physically shuttled across different locations, these results establish a viable route for scalable quantum information processing using nuclear spins.

연구 동기 및 목표

• 핵 스핀을 큐비트로 사용하여 확장 가능한 실리콘 기반 양자 프로세서에서 고정밀도 보편적 양자 논리 연산을 달성하기 위해.
• 확장 가능한 장치 아키텍처에서 핵 큐비트를 고정밀도 이중 큐비트 게이트로 연결하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 두 핵 스핀과 공유 전자 스핀 간의 얽힘을 증명하여 세 큐비트 얽힌 상태를 형성하기 위해.
• 고장내성 양자 계산을 위한 성능 검증을 위해 게이트 세트 토모그래피(GST)를 정밀하게 적용하여 양자 연산을 특성화하기 위해.

제안 방법

• 큐비트로 사용된 실리콘 나노전자 장치 내 이온 주입된 31P 핵을 사용하며, 공유 전자 스핀을 양자 버스로 활용한다.
• 동적 교환 결합을 통해 공유 전자 스핀에서 기하학적 위상의 누적 현상을 이용해 이중 큐비트 제어-Z 게이트를 시행한다.
• 게이트 세트 토모그래피(GST)를 활용하여 한- 및 이중 큐비트 게이트, 상태 준비 및 측정를 고정밀도로 완전히 특성화한다.
• 두 핵 큐비트 간 벨 상태를 준비하고 상태 토모그래피를 사용해 정밀도를 검증한다.
• 두 핵 스핀을 공유 전자 스핀과 얽힘 상태로 연결함으로써 세 큐비트 그린버거-홀른-자일링(GHZ) 상태를 생성한다.
• 실험 데이터의 통계적 분석을 통해 엄격한 오차 구간을 적용하여 게이트 및 상태 정밀도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유 전자 스핀을 매개로 하여 실리콘 내 핵 스핀 간에 고정밀도 이중 큐비트 얽힘 연산을 달성할 수 있는가?
• RQ2 게이트 세트 토모그래피(GST)는 핵 스핀 양자 프로세서에서 한- 및 이중 큐비트 연산의 성능을 어느 정도 정량화할 수 있는가?
• RQ3 실리콘 기반 장치에서 두 핵 스핀과 공유 전자 스핀을 포함한 세 큐비트 얽힘의 정밀도는 얼마인가?
• RQ4 관측된 게이트 및 상태 정밀도가 고장내성 양자 계산을 위해 요구되는 임계값을 충족하는가?

주요 결과

• 공유 전자 스핀을 매개로 한 이중 큐비트 제어-Z 게이트는 99.21(14)%의 정밀도로 시행되어 핵 스핀 양자 프로세서에서 고정밀도 이중 큐비트 연산을 입증한다.
• 한 큐비트 게이트 정밀도는 최대 99.93(3)%에 도달하여 뛰어난 단일 큐비트 제어 성능을 나타낸다.
• 두 핵 큐비트 간의 벨 상태는 최대 94.2(2.7)%의 정밀도로 준비되어 고정밀도 얽힘 생성을 확인한다.
• 세 큐비트 그린버거-홀른-자일링(GHZ) 상태는 92.5(1.0)%의 정밀도로 준비되어 시스템 내 다중 큐비트 얽힘을 증명한다.
• 이중 큐비트 상태의 준비 및 측정 정밀도는 98.95(4)%로 측정되어 고정밀도 상태 준비 및 판독을 뒷받침한다.
• 게이트 세트 토모그래피로부터 도출된 고정밀도 지표들은 실리콘 내 핵 스핀이 고장내성 양자 계산을 위해 요구되는 성능 임계값에 거의 도달하고 있음을 시사한다.