[논문 리뷰] Silicon qubit fidelities approaching stochastic noise limits via pulse optimisation

Andrea Morello, Fay E. Hudson외 13명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 25.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 자기공명 기법에서 유도된 펄스 최적화 기술을 적용하여 실리콘 큐비트에서 평균 클리포드 게이트 오류율을 0.043%로 감소시켰으며, 이는 이전 결과 대비 3배 향상된 성과이다. 무작위 기준 측정에 영향을 받는 측정 기반의 보다 완전한 측정을 도입함으로써 저자들은 노이즈의 일관성 정도를 측정하고, 이로 인해 0.026% 수준의 오류율이 달성 가능할 것으로 예측한다. 이는 장치의 마르코프성 전하 노이즈에 의해 설정된 기본 한계에 가까워지는 결과이다.

ABSTRACT

The performance requirements for fault-tolerant quantum computing are very stringent. Qubits must be manipulated, coupled, and measured with error rates well below 1%. For semiconductor implementations, silicon quantum dot spin qubits have demonstrated average single-qubit Clifford gate error rates that approach this threshold, notably with error rates of 0.14% in isotopically enriched $^{28}$Si/SiGe devices. This gate performance, together with high-fidelity two-qubit gates and measurements, is only known to meet the threshold for fault-tolerant quantum computing in some architectures when assuming that the noise is incoherent, and still lower error rates are needed to reduce overhead. Here we experimentally show that pulse engineering techniques, widely used in magnetic resonance, improve average Clifford gate error rates for silicon quantum dot spin qubits to 0.043%,a factor of 3 improvement on previous best results for silicon quantum dot devices. By including tomographically complete measurements in randomised benchmarking, we infer a higher-order feature of the noise called the unitarity, which measures the coherence of noise. This in turn allows us to theoretically predict that average gate error rates as low as 0.026% may be achievable with further pulse improvements. These fidelities are ultimately limited by Markovian noise, which we attribute to charge noise emanating from the silicon device structure itself, or the environment.

연구 동기 및 목표

• 오류율이 1% 이하로 유지되어야 하는 오류에 저항하는 양자 컴퓨팅을 위한 엄격한 오류율 요구사항을 충족시키기 위해.
• 실리콘 큐비트에서 현재의 근접한 게이트 품질에도 불구하고, 양자 컴퓨팅의 오버헤드를 줄이기 위해 더 낮은 오류율이 필요로 하는 문제를 해결하기 위해.
• 자기공명에서 유도된 고도의 펄스 엔지니어링 기법을 적용하여 실리콘 기반 큐비트의 노이즈를 완화함으로써 더 낮은 게이트 오류율을 달성하기 위해.
• 측정 기반의 완전한 랜덤화 기준 측정을 통해 고차원 노이즈 특성(예: 일관성 정도)을 특성화하여 노이즈 제한을 더 잘 이해하고 예측하기 위해.
• 실험 데이터와 펄스 최적화를 기반으로 마르코프성 노이즈를 고려할 때 실리콘 큐비트의 이론적 최소 오류율 한계를 이론적으로 예측하기 위해.

제안 방법

• 핵자기공명에서 널리 사용되는 펄스 엔지니어링 기법을 적용하여 실리콘 큐비트의 제어 펄스를 최적화한다.
• 측정 기반의 완전한 측정을 포함한 랜덤화 기준 측정을 구현하여 노이즈 일관성 정도를 추출한다. 이는 노이즈의 일관성 정도를 측정하는 지표이다.
• 측정된 일관성 정도를 바탕으로 노이즈의 성격을 추론하고 시스템 내 노이즈 이론 모델을 제약한다.
• 노이즈를 마르코프성으로 모델링하며, 이는 실리콘 장치 구조나 주변 환경에서 기인한 전하 노이즈 때문이라고 기인한다.
• 실험 데이터와 노이즈 특성 분석을 바탕으로 향후 펄스 최적화를 통해 도달 가능한 평균 게이트 오류율의 이론적 하한을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기공명에서 유도된 펄스 엔지니어링 기법을 통해 실리콘 큐비트의 게이트 오류율을 이전 실험 결과의 한계 이하로 낮출 수 있는가?
• RQ2 노이즈 일관성 정도(일관성 정도로 측정됨)는 실리콘 큐비트에서 게이트 품질의 성능과 예측 가능성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 마르코프성 노이즈가 주요 원인일 경우 실리콘 큐비트의 평균 클리포드 게이트 오류율에 대한 이론적 하한은 얼마인가?
• RQ4 측정 기반의 완전한 랜덤화 기준 측정 프로토콜은 표준 랜덤화 기준 측정을 넘어서 노이즈 특성 분석을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 실험적 오류율과 노이즈 일관성 정도 측정치를 바탕으로 실리콘 기반 양자 컴퓨팅 아키텍처의 최종 정밀도 한계를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 동위원소가 풍부한 $^{28}$Si/SiGe 실리콘 큐비트 장치에서 평균 클리포드 게이트 오류율을 0.043%로 달성하였으며, 이는 이전 최고 기록 대비 3배 향상된 결과이다.
• 랜덤화 기준 측정에 측정 기반의 완전한 측정을 포함시킴으로써 연구는 노이즈 일관성 정도를 추출하였으며, 이는 공명 노이즈 특성을 특성화하는 데 기여하였다.
• 측정된 노이즈 일관성 정도를 바탕으로 한 이론적 모델링은 향후 펄스 최적화를 통해 평균 오류율을 0.026%까지 낮출 수 있을 것으로 예측한다.
• 최종 정밀도 한계는 마르코프성 노이즈에 의해 결정되며, 저자들은 이를 실리콘 장치 구조나 그 주변 환경에서 기인한 전하 노이즈로 기인한다고 설명한다.
• 결과적으로 펄스 최적화 기법을 통해 게이트 품질을 기본적인 확률적 노이즈 한계에 가까이 끌고 올 수 있으며, 이는 오류에 저항하는 양자 계산의 임계 조건에 도달하는 데 기여한다.
• 본 연구는 고도의 제어 기술과 노이즈 특성 분석을 결합할 경우 실리콘 큐비트 스피너 큐비트가 오류에 저항하는 양자 컴퓨팅으로의 실현 가능성을 확인한다.