[논문 리뷰] Two-qubit silicon quantum processor with operation fidelity exceeding 99%

A. R. Mills, C. R. Guinn외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 23.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 동시에 단일 큐비트 게이트의 정밀도가 99% 이상이고 이중 큐비트 제어-상위(CZ) 게이트 정밀도가 99.81%에 이르는 이중 큐비트 실리콘 스핀 양자 프로세서를 구현하였다. 이는 동위원소로 풍부화된 28Si 양자점과 Co 마이크로마그네틱을 사용하여 달성되었으며, 스핀 공명을 통해 이루어졌다. 높은 정밀도의 상태 준비, 측정 및 게이트 운영은 게이트 세트 토모그래피와 무작위 기준화를 통해 검증되었으며, 실리콘 스핀 큐비트가 고신뢰성 양자 컴퓨팅을 위한 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

Silicon spin qubits satisfy the necessary criteria for quantum information processing. However, a demonstration of high fidelity state preparation and readout combined with high fidelity single- and two-qubit gates, all of which must be present for quantum error correction, has been lacking. We use a two qubit Si/SiGe quantum processor to demonstrate state preparation and readout with fidelity over 97%, combined with both single- and two-qubit control fidelities exceeding 99%. The operation of the quantum processor is quantitatively characterized using gate set tomography and randomized benchmarking. Our results highlight the potential of silicon spin qubits to become a dominant technology in the development of intermediate-scale quantum processors.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 기반 스핀 큐비트 플랫폼에서 고정밀도 단일 및 이중 큐비트 양자 운영을 달성하기 위해.
• 이전에 성능을 제한했던 실리콘 양자점에서의 높은 상태 준비 및 측정(SPAM) 오차 문제를 해결하기 위해.
• 실리콘 스핀 큐비트가 초전도 큐비트와 경쟁 가능한 게이트 정밀도를 달성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 게이트 세트 토모그래피와 무작위 기준화와 같은 철저한 특성 분석 기법을 사용하여 전체 양자 프로세서를 검증하기 위해.
• 실리콘 마이크로전자 기술과 호환되는 기술을 기반으로 고도로 확장 가능한 고신뢰성 중규모 양자 프로세서로의 길을 마련하기 위해.

제안 방법

• 전자 스핀의 공명 시간을 연장하기 위해 동위원소로 풍부화된 28Si를 사용한 6큐비트 선형 배열의 실리콘/실리콘게르마늄(Si/SiGe) 양자점을 활용하였다.
• Co 마이크로마그네틱을 사용해 국소 자기장 기울기를 생성하여 전기 dipole 스핀 공명(EDSR)을 통해 단일 큐비트 운영을 실현하였다.
• 자기장 상태에서의 (1,1) 전하 상태에서의 리저보아르 터널링을 이용해 스핀에서 전하로의 변환을 통해 상태 초기화 및 독출을 수행하였다.
• 게이트 세트 토모그래피(GST)를 통해 단일 큐비트 게이트(I, Xπ/2, Yπ/2)의 정밀도와 SPAM 오차를 정량화하였다.
• 이중 큐비트의 간섭형 무작위 기준화(RB)를 통해 CZ 게이트와 클리포드 시퀀스에 간섭형으로 통합된 CNOT 게이트의 정밀도를 측정하였다.
• 게이트 전압(VB2)를 조절하여 교환 상호작용을 최적화하고, 위상 이동(Zϕ)을 조정하여 고정밀도의 C-Phase 게이트를 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 스핀 큐비트는 고정밀도 단일 큐비트 게이트와 함께 이중 큐비트 게이트 정밀도가 99%를 초과할 수 있는가?
• RQ2 SPAM 오차는 실리콘 양자점 프로세서의 성능을 얼마나 제한하는가? 그리고 3% 이하로 줄일 수 있는가?
• RQ3 게이트 정밀도와 작동 속도 측면에서 실리콘 스핀 큐비트는 초전도 큐비트와 트랩된 이온 큐비트에 비해 어떤가?
• RQ4 게이트 세트 토모그래피와 무작위 기준화는 이중 큐비트 실리콘 양자 프로세서를 특성화하고 검증하는 데 효과적으로 사용될 수 있는가?
• RQ5 현재의 제조 및 제어 기술로 실리콘 기반 스핀 큐비트를 사용해 고신뢰성 양자 오류 수정을 달성하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 이중 큐비트 제어-상위(CZ) 게이트의 정밀도는 99.81 ± 0.17%에 이르며, 99.8%를 초과하여 실리콘 스핀 큐비트의 새로운 기준을 설정하였다.
• 게이트 세트 토모그래피를 통해 단일 큐비트 게이트 정밀도가 99.9% 이상으로 측정되었으며, Q1과 Q2의 T2* 및 T2 디코herence 시간은 각각 1.7 μs와 2.3 μs였다.
• 상태 준비 및 측정(SPAM) 정밀도는 매우 낮았으며, Q1과 Q2의 초기화 정밀도는 각각 99.4%와 97.5%, 측정 정밀도는 98.1%와 99.8%였다.
• 간섭형 무작위 기준화를 통해 유도된 CNOT 게이트의 정밀도는 98.62 ± 0.16%에 이르렀으며, 고정밀도의 이중 큐비트 운영을 확인하였다.
• SPAM를 포함한 전체 운영 정밀도는 고신뢰성 양자 오류 수정에 필요한 임계값을 초과하였으며, SPAM 오차는 3% 이하였다.
• 결과적으로 실리콘 스핀 큐비트가 초전도 큐비트 수준의 게이트 정밀도를 달성할 수 있고, 트랩된 이온 큐비트보다 더 빠른 작동 속도를 보이며, 확장 가능한 양자 프로세서로의 실현 가능성을 입증하였다.