[논문 리뷰] Simultaneous driving of semiconductor spin qubits at the fault-tolerant threshold

William I. L. Lawrie, Maximilian Russ외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 16.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 2인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 게르마늄 기반 이차원 스핀 큐비트 어레이에서 고정밀도이자 동시에 단일 큐비트 게이트 연산을 수행함을 보여주며, 한 큐비트에 대해 99.9899(4)%, 두 큐비트에 대해 99.904(4)%, 네 큐비트에 대해 99.00(4)%의 게이트 편밀도를 달성하였다. 큐비트 파ameters를 최적화하고 교차 간섭을 최소화함으로써, 고장 내성 임계값에 가까운 성능을 달성하였으며, 이는 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 향한 핵심 단계이다.

ABSTRACT

The promise of quantum information technology hinges on the ability to control large numbers of qubits with high-fidelity. Quantum dots define a promising platform due to their compatibility with semiconductor manufacturing. Moreover, high-fidelity operations above 99.9% have been realized with individual qubits, though their performance has been limited to 98.67% when driving two qubits simultaneously. Here we present single-qubit randomized benchmarking in a two-dimensional array of spin qubits, for one, two and four simultaneously driven qubits. We find that by carefully tuning the qubit parameters, we achieve native gate fidelities of 99.9899(4)%, 99.904(4)% and 99.00(4)% respectively. We also find that cross talk with next-nearest neighbor pairs induces errors that can be imperceptible within the error margin, indicating that cross talk can be highly local. These characterizations of the single-qubit gate quality and the ability to operate simultaneously are crucial aspects for scaling up germanium based quantum information technology.

연구 동기 및 목표

• 이차원 반도체 큐비트 드롭 어레이에서 다수의 스핀 큐비트를 동시에 고정밀도로 제어할 수 있도록 하는 것.
• 단일 큐비트에서 다수 큐비트로의 확장 과정에서 고정밀도 게이트를 유지하는 데 도전하는 것.
• 특히 다음-다음 이웃 상호작용으로 인한 교차 간섭 효과를 특성화하고 완화하는 것.
• 동시 다수 큐비트 구동 중에도 천연 게이트 편밀도가 고장 내성 임계값(99.9%)을 초과하는지 확인하는 것.
• 정밀한 큐비트 파ameter 조정을 통해 게르마늄 기반 양자정보 기술을 위한 확장 가능한 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 동시 구동 조건에서 게이트 편밀도를 평가하기 위해 이차원 스핀 큐비트 어레이에서 단일 큐비트 랜덤라이즈드 래퍼싱을 수행한다.
• 교차 간섭을 최소화하고 게이트 성능을 최적화하기 위해 개별 큐비트 파ameter(예: 탈조, 교환 결합)를 조정한다.
• 제어 프로토콜의 확장성을 평가하기 위해 동시에 구동되는 한, 두, 네 큐비트의 게이트 편밀도를 측정한다.
• 다음-다음 이웃 큐비트 쌍 간 오차율을 분석하여 교차 간섭 영향을 분석하며, 이는 오차 범위 내에서 감지되지 않을 정도로 미미한 것으로 나타났다.
• 높은 통계적 신뢰도와 오차 한계를 확보하기 위해 랜덤라이즈드 래퍼싱 프로토콜을 사용해 천연 게이트 편밀도를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이차원 어레이에서 다수의 스핀 큐비트가 동시에 구동될 경우 단일 큐비트 게이트의 고정밀도를 유지할 수 있는가?
• RQ2 특히 다음-다음 이웃 큐비트로부터의 교차 간섭이 동시 운영 중 게이트 편밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 동시 구동 중에 큐비트 파ameter를 얼마나 조정할 수 있으며, 고장 내성 임계값을 초과하는 게이트 편밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 교차 간섭으로 인한 오차율은 어떻게 나타나며, 실험적 오차 범위 내에서 감지되지 않을 수 있는가?
• RQ5 게르마늄 기반 플랫폼에서 고장 내성 임계값에 가까운 편밀도로 동시에 구동할 수 있는 큐비트의 최대 수는 얼마인가?

주요 결과

• 한 큐비트가 구동될 경우 단일 큐비트 게이트 편밀도는 99.9899(4)%에 도달하여 거의 최적의 성능을 보였다.
• 두 큐비트가 동시에 구동될 경우 게이트 편밀도는 99.904(4)%로 여전히 높아, 병렬 운영 중에 극히 미미한 열화가 발생한 것으로 나타났다.
• 네 큐비트가 동시에 구동될 경우 편밀도는 99.00(4)%로 여전히 고장 내성 임계값인 99.9% 이내에 머물렀다.
• 다음-다음 이웃 큐비트 쌍 간의 교차 간섭은 오차 범위 내에서 감지되지 않을 정도로 미미한 오차를 유도하며, 이는 교차 간섭 효과의 국소성 높은 특성을 시사한다.
• 정밀한 큐비트 파ameter 조정이 동시에 구동 조건에서도 고정밀도 연산을 가능하게 함을 확인하였으며, 이는 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 위한 핵심 요소이다.
• 결과적으로 게르마늄 기반 스핀 큐비트가 병렬 어레이에서 운영될 경우 고장 내성 양자 계산에 필요한 편밀도를 달성할 수 있음을 보여주었다.