[논문 리뷰] Repetitive single electron spin readout in silicon

Jun Yoneda, Kenta Takeda외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 25.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 21인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 실리콘에서 단일 전자 스핀의 양자 비파괴(QND) 측정을 이웃한 이징 결합 양자점 스핀을 미터로 사용하여 구현한다. 평균 99%의 허용도를 갖는 측정을 통해 1.2ms 이내에 동일한 스핀 상태에 대해 20회 이상 반복 측정이 가능하며, 총 측정 허용도는 최대 95%에 도달한다. 또한, 허용도 >99.6%의 전도성 기저 상태 준비를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Single electron spins confined in silicon quantum dots hold great promise as a quantum computing architecture with demonstrations of long coherence times, high-fidelity quantum logic gates, basic quantum algorithms and device scalability. While single-shot spin detection is now a laboratory routine, the need for quantum error correction in a large-scale quantum computing device demands a quantum non-demolition (QND) implementation. Unlike conventional counterparts, the QND spin readout imposes minimal disturbance to the probed spin polarization and can therefore be repeated to extinguish measurement errors. However, it has remained elusive for an electron spin in silicon as it involves exquisite exposure of the system to the external circuitry for readout while maintaining the coherence and integrity of the qubit. Here we show that an electron spin qubit in silicon can be measured in a highly non-demolition manner by probing another electron spin in a neighboring dot Ising-coupled to the qubit spin. The high non-demolition fidelity (99% on average) enables over 20 readout repetitions of a single spin state, yielding an overall average measurement fidelity of up to 95% within 1.2 ms. We further demonstrate that our repetitive QND readout protocol can realize heralded high-fidelity (> 99.6%) ground-state preparation. Our QND-based measurement and preparation, mediated by a second qubit of the same kind, will allow for a new class of quantum information protocols with electron spins in silicon without compromising the architectural homogeneity.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 큐비트에서 단일 전자 스핀의 양자 비파괴(QND) 측정 프로토콜을 개발하여, 큐비트 상태를 손상시키지 않은 채 반복 측정을 가능하게 한다.
• 확장 가능한 실리콘 기반 양자 컴퓨팅 아키텍처에서 스핀 공명을 유지하면서도 고성능의 반복 측정을 실현하는 데 도전한다.
• 이웃한 큐비트에 위치한 두 번째 보조 전자 스핀이 목표 큐비트 스핀의 고성능 비파괴 측정을 매개할 수 있음을 입증한다.
• QND 측정 프로토콜을 사용하여 허용도가 99.6%를 초과하는 전도성 기저 상태 준비를 달성한다.
• 큐비트와 측정 모두에 동일한 전자 스핀을 사용함으로써 아키텍처의 균일성을 유지하고, 실리콘 큐비트 프로세서에서의 확장 가능한 통합을 가능하게 한다.

제안 방법

• 큐비트로 사용되는 전자 스핀과 측정 보조자로 사용되는 전자 스핀을 가진 실리콘 이중 양자점 시스템을 활용한다.
• 교환 상호작용를 통해 큐비트 스핀과 보조 스핀 간에 이징 유형의 스핀-스핀 결합을 구현하여 조건부 동역학을 가능하게 한다.
• 보조 스핀의 단일 스텝 채널 측정을 통해 큐비트 스핀 상태를 붕괴시키지 않고 추론함으로써 비파괴 측정을 실현한다.
• 측정 오차를 통계적 평균을 통해 감소시키기 위해 QND 측정 프로토콜을 다수 반복한다.
• 반복 측정을 적용하여 큐비트를 고성능 기저 상태로 준비하는 전도성 준비를 실현한다.
• 외부 회로와의 상호작용를 최소화하고 정밀하게 조절된 게이트 전압을 사용함으로써 고스핀 공명을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 큐비트에서 단일 전자 스핀을 상태에 큰 영향을 주지 않고 반복 측정할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 기반 시스템에서 고성능을 유지하면서 양자 비파괴 측정을 반복할 수 있는 최대 횟수는 얼마인가?
• RQ3 QND 측정 프로토콜을 사용하여 큐비트 스핀의 고성능 기저 상태 준비를 전도성으로 유도할 수 있는가?
• RQ4 이웃한 큐비트에 위치한 동일한 전자 스핀을 측정 보조자로 사용할 경우 전체 측정 허용도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 확장 가능한 양자 컴퓨팅 아키텍처에서 QND 프로토콜이 반복 측정을 가능하게 하면서도 스핀 공명을 얼마나 잘 유지할 수 있는가?

주요 결과

• QND 측정은 평균 측정 당 99%의 허용도를 달성하여 단일 스핀 상태에 대해 20회 이상 반복 측정이 가능하다.
• 1.2ms 이내의 반복 측정 후 총 측정 허용도는 최대 95%에 도달하여 측정 오차를 크게 감소시킨다.
• QND 프로토콜을 사용하여 큐비트 스핀의 전도성 기저 상태 준비 허용도가 99.6%를 초과한다.
• 외부 회로와의 상호작용를 최소화함으로써 고스핀 공명을 유지하면서도 고성능 측정을 실현한다.
• 이웃한 큐비트에 위치한 동일한 보조 스핀을 사용함으로써 아키텍처의 균일성을 유지하고 확장성을 지원한다.
• 이징 결합된 보조 스핀은 큐비트 상태를 붕괴시키지 않는 조건부 측정을 가능하게 하여 비파괴 조건을 충족한다.