[논문 리뷰] Universal control of a six-qubit quantum processor in silicon

Stephan G. J. Philips, Mateusz Mądzik외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 18.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 큐비트 배열 전역에서 고정밀도 단일 및 이중 큐비트 게이트, 초기화, 독독을 실현하기 위해 하미르토니안 엔지니어링, 실시간 피드백, 효율적인 캘리브레이션을 활용한 6 큐비트 실리콘 양자 프로세서의 보편적 제어를 보여준다. 이 시스템은 단일 스타일 독독 정밀도가 99.97%를 초과하며, 배열 전역에서 최대 얽힘 상태를 준비하여 실리콘 기반에서 확장 가능하고 고정밀도 양자 계산으로 나아가는 데 중요한 발걸음을 내디뎠다.

ABSTRACT

Future quantum computers capable of solving relevant problems will require a large number of qubits that can be operated reliably. However, the requirements of having a large qubit count and operating with high-fidelity are typically conflicting. Spins in semiconductor quantum dots show long-term promise but demonstrations so far use between one and four qubits and typically optimize the fidelity of either single- or two-qubit operations, or initialization and readout. Here we increase the number of qubits and simultaneously achieve respectable fidelities for universal operation, state preparation and measurement. We design, fabricate and operate a six-qubit processor with a focus on careful Hamiltonian engineering, on a high level of abstraction to program the quantum circuits and on efficient background calibration, all of which are essential to achieve high fidelities on this extended system. State preparation combines initialization by measurement and real-time feedback with quantum-non-demolition measurements. These advances will allow for testing of increasingly meaningful quantum protocols and constitute a major stepping stone towards large-scale quantum computers.

연구 동기 및 목표

• 모든 운영에서 고정밀도 제어를 유지하면서 4 큐비트를 초월하는 스핀 큐비트 시스템을 확장하는 것.
• 반도체 큐비트 도트 시스템에서 큐비트 수와 제어 정밀도 사이의 상충 관계를 해결하는 것.
• 6 큐비트 어레이에서 상태 준비, 단일 및 이중 큐비트 게이트, 측정을 포함한 보편적 양자 연산을 구현하는 것.
• 대규모 양자 프로세서에 필수적인 확장 가능한 캘리브레이션 및 피드백 프로토콜을 개발하는 것.
• 저류지 접근 없이도 고정밀도 초기화 및 측정을 수행하여 강력한 양자 회로 실행을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 독립적인 교환 상호작용 제어를 위한 다층 게이트 구조를 갖춘 실리콘 큐비트 도트 내 6 개의 전자 스핀 큐비트 선형 어레이를 사용하였다.
• 전기 dipole 스핀 공진을 위한 마이크로자석 기울기를 활용하고, 선택적 큐비트 접근을 위해 사용하였다.
• 660 ns 지연 시간을 갖는 FPGA 기반 제어를 통해 실시간 피드백을 구현하여 측정 결과에 따라 조건부 게이트를 적용하였다.
• 실시간 피드백을 통한 측정 기반 초기화를 구현하였으며, 양자 비파괴(Quantum Non-Demolition, QND) 측정과 조건부 회전을 결합하였다.
• 큐비트 위상 진동을 추적하고 마이크로파 버스트 동안 위상 일관성을 확보하기 위해 6개의 독립적 수치 제어 옸레이터(NCO)를 갖춘 임의의 파형 생성기(AWGs)를 사용하였다.
• 게이트 전압 펄스와 RF 버스트를 조합하여 독독을 수행하였으며, AWG와 동기화된 디지타이저에서 신호 통합 및 임계 처리를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6 큐비트 실리콘 양자 프로세서는 단일 큐비트 게이트, 이중 큐비트 게이트, 초기화, 측정 전반에 걸쳐 고정밀도 보편적 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 다중 큐비트 스핀 시스템에서 측정 결과를 보정하고 상태 준비 정밀도를 향상시키기 위해 실시간 피드백을 효율적으로 구현할 수 있는가?
• RQ3 QND 측정과 피드백을 사용할 경우 실리콘 큐비트 도트 내 전자 스핀의 단일 스타일 독독 정밀도는 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ4 하미르토니안 엔지니어링과 캘리브레이션 루틴은 더 큰 큐비트 시스템에서도 고정밀도 운영을 유지하는 데 어느 정도 기여할 수 있는가?
• RQ5 저류지 접근 없이도 초기화 및 측정을 수행할 수 있는가? 이는 확장 가능하고 강력한 운영을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 측정된 평행 및 반평행 스핀 상태의 잘 분리된 히스토그램을 통해, 큐비트 쌍 1-2 및 5-6에서 단일 스타일 스핀 독독 정밀도가 99.97%를 초과하는 것으로 확인되었다.
• 660 ns 지연 시간을 갖는 실시간 피드백은 측정 결과에 따라 조건부 게이트 연산을 가능하게 하여 최소한의 정지 시간을 유지하고 큐비트 위상 일관성을 보존하였다.
• 최대 얽힘 상태인 벨 상태와 그린버거-홀른-자일링거(GHZ) 상태가 각각 2 큐비트 및 3 큐비트에서 성공적으로 준비되어 보편적 게이트 제어를 입증하였다.
• 실시간 피드백을 통한 측정 기반 고정밀도 초기화를 달성하여 저류지 접근이 필요 없이 강력한 상태 준비를 가능하게 하였다.
• 효율적인 배경 캘리브레이션과 하미르토니안 엔지니어링 덕분에, 전체 6 큐비트 어레이에서 단일 및 이중 큐비트 게이트, 초기화, 독독이 동시에 고정밀도로 수행되었다.
• AWG 내 6개의 독립적 NCO 사용은 모든 큐비트에서 위상 일관성 있는 마이크로파 제어를 가능하게 하여 더 큰 회로에 대한 확장 가능한 솔루션이 되었다.