[논문 리뷰] Real-time feedback protocols for optimizing fault-tolerant two-qubit gate fidelities in a silicon spin system

Nard Dumoulin Stuyck, Amanda E. Seedhouse외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 21.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit DesignEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 스핀 큐비트에서 단일 및 이중 큐비트 파rameter를 안정화하기 위해 FPGA 최적화된 실시간 피드백 프로토콜을 제안하며, 수시간에 걸쳐 높은 정밀도의 이중 큐비트 게이트(>99%)를 달성한다. 피드백 데이터에 헤어 웨이블릿 분석을 적용하여 이산적 점프, 느린 드프트, 1/f 노이즈와 같은 구분 가능한 노이즈 원인을 특정함으로써, 고장 내성 양자 컴퓨팅에 필수적인 체계적 노이즈 특성 분석을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Recently, several groups have demonstrated two-qubit gate fidelities in semiconductor spin qubit systems above 99%. Achieving this regime of fault-tolerant compatible high fidelities is nontrivial and requires exquisite stability and precise control over the different qubit parameters over an extended period of time. This can be done by efficiently calibrating qubit control parameters against different sources of micro- and macroscopic noise. Here, we present several single- and two-qubit parameter feedback protocols, optimised for and implemented in state-of-the-art fast FPGA hardware. Furthermore, we use wavelet-based analysis on the collected feedback data to gain insight into the different sources of noise in the system. Scalable feedback is an outstanding challenge and the presented implementation and analysis gives insight into the benefits and drawbacks of qubit parameter feedback, as feedback related overhead increases. This work demonstrates a pathway towards robust qubit parameter feedback and systematic noise analysis, crucial for mitigation strategies towards systematic high-fidelity qubit operation compatible with quantum error correction protocols.

연구 동기 및 목표

• 환경 노이즈에도 불구하고 실리콘 스핀 큐비트에서 장시간에 걸쳐 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 유지하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 큐비트 제어 파rameter를 안정화하기 위해 FPGA 하드웨어에 최적화된 빠른 실시간 피드백 프로토콜을 개발한다.
• 피드백 데이터를 활용해 표준 푸리에 분석을 넘어서는 복잡한 노이즈 동역학을 특성화한다.
• 큐비트 제조 및 제어 향상을 이끌어내기 위한 체계적 노이즈 원인 식별을 가능하게 한다.
• 고장 내성 양자 컴퓨팅 아키텍처에 통합 가능한 피드백 프로토콜의 확장성과 내구성을 입증한다.

제안 방법

• 빠른 FPGA 하드웨어에 실시간 피드백 프로토콜을 구현하여 실리콘 큐비트 드롭에서 단일 및 이중 큐비트 제어 파rameter를 동적으로 보정한다.
• 웨이블릿 기반 분석(특히 헤어 웨이블릿 변환)을 사용해 피드백 데이터의 시간-주파수 특성을 추출하여 비정상적 노이즈 신호를 캡처한다.
• 웨이블릿 결과를 표준 푸리에 파wer 스펙트럼 밀도(PSD)와 비교하여 일시적 및 시간에 따라 변화하는 노이즈 특징을 해소하는 데서의 우월성을 강조한다.
• 다양한 스케일 파ram터(1/λ)에서 웨이블릿 변환의 진폭 및 부호 패턴을 분석하여 이산적 점프, 느린 드프트, 1/f 노이즈를 분석한다.
• 웨이블릿 특징을 두 수준의 변동 요소 및 유전체 트랩과 같은 물리적 노이즈 메커니즘과 연관시킨다.
• 피드백 데이터를 사용해 노이즈 유형을 탐지하고 분류하며, 단방향 및 다중 방향 드프트, 고주파수 점프를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 FPGA 기반 실시간 피드백 프로토콜이 실리콘 스핀 큐비트에서 다시간에 걸쳐 단일 및 이중 큐비트 파rameter를 안정화할 수 있는가?
• RQ2 비정상적 노이즈를 특성화하는 데서 웨이블릿 분석은 전통적 푸리에 분석에 비해 어떤 이점을 제공하는가?
• RQ3 웨이블릿 변환을 사용할 때 큐비트 피드백 데이터에서 식별할 수 있는 구분 가능한 노이즈 서명(예: 점프, 드프트, 1/f 노이즈)은 무엇인가?
• RQ4 두 수준의 변동 요소 및 유전체 트랩과 같은 다양한 노이즈 성분은 큐비트 정밀도와 파rameter 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 피드백 데이터는 큐비트 제조 및 제어 전략 향상에 얼마나 기여할 수 있는가?

주요 결과

• FPGA 최적화 피드백 프로토콜은 실리콘 스핀 큐비트 시스템에서 다시간에 걸쳐 고정밀도 이중 큐비트 게이트(>99%)를 성공적으로 유지했다.
• 웨이블릿 분석은 세 가지 주요 노이즈 성분을 드러내었으며, 이는 약 ~0.05 mV 진폭의 이산적 점프, 낮은 진폭의 느린 드프트, 고주파수 1/f 유사 노이즈였다.
• 웨이블릿 변환은 작은 1/λ(예: 1/λ < 10⁻⁴ s⁻¹)에서 일정한 부호를 가지는 특징으로 단방향 드프트를 식별했으며, 다중 방향 드프트는 번갈아가며 양음수 진폭을 보였다.
• ω ≈ 3×10⁻² Hz에서의 푸리에 PSD에 나타난 볼록부는 강하게 결합된 두 수준의 변동 요소 또는 변동 요소의 집합 존재를 시사하며, 웨이블릿 동역학으로 확인되었다.
• 웨이블릿 분석은 높은 1/λ에서 근사적으로 영이 되는 정규화 진폭을 가지는 특징을 통해 1/f 노이즈를 탐지했으며, 이는 더 큰 진폭의 변동과 구별되었다.
• 특히 비정상적 및 일시적 신호에 대해 웨이블릿 변환은 푸리에 PSD보다 뛰어난 시간 도메인 해상도를 제공하여 노이즈 동역학을 보다 정밀하게 분석할 수 있었다.